RU2707421C1 - Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой - Google Patents
Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2707421C1 RU2707421C1 RU2019109336A RU2019109336A RU2707421C1 RU 2707421 C1 RU2707421 C1 RU 2707421C1 RU 2019109336 A RU2019109336 A RU 2019109336A RU 2019109336 A RU2019109336 A RU 2019109336A RU 2707421 C1 RU2707421 C1 RU 2707421C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- resonator
- microwave generator
- sensitive element
- ferromagnetic resonance
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации (записи) спектров ферромагнитного резонанса от локальных участков тонкопленочных образцов. Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой содержит СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, при этом над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора. Технический результат – возможность частотной подстройки чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля качества и однородности магнитных пленок путем регистрации (записи) спектров ферромагнитного резонанса от локальных участков тонкопленочных образцов.
Известно устройство [Frait Z., Kambersky V., Malek Z., Ondris M. Local variations of uniaxial anisotropy in thin films // Czechosl. Journ. Phys. 1960. Vol.10. P. 616-617], предназначенное для измерений параметров ферромагнитного резонанса (ФМР) от различных локальных участков образцов тонких магнитных пленок (ТМП). В качестве чувствительного элемента в устройстве используется объемный резонатор на частоте ~10 ГГц с колебаниями типа Н111, который имеет в центре стенки измерительное отверстие диаметром около 0.1 мм. Исследуемый образец прикладывается к отверстию с внешней стороны полости резонатора. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения образца относительно измерительного отверстия. По угловым зависимостям параметров ФМР определяются основные магнитные характеристики локального участка исследуемого образца ТМП: эффективная намагниченность насыщения, параметр затухания, магнитная анизотропия и др. Чувствительность устройства пропорциональна отношению Q/V [Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том I: пер. с англ. М.: Мир, 1972. 651 с], где Q - добротность резонатора; V - эффективный объем СВЧ-резонатора.
Известен также микроволновый магнитный микроскоп, работающий на частоте -10 ГГц [SoohoR. F. A microwave magnetic microscope // Jour. Appl.
Phys., Suppl. 1962. Vol. 33(3). P. 1276-1277], представляющий собой сканирующий спектрометр ФМР, позволяющий проводить измерение резонансных параметров локальных участков образцов ТМП, на основе которых определяются магнитные характеристики этих участков. Исследуемый образец размещается с внешней стороны задней стенки резонатора, имеющей в центре небольшое отверстие, благодаря которому только малый локальный участок образца подвержен непосредственному действию высокочастотного поля резонатора. Спектр ФМР снимается путем изменения постоянного магнитного поля, приложенного к образцу ортогонально высокочастотному магнитному полю резонатора. Перемещая образец относительно отверстия в резонаторе, можно измерять распределения магнитных характеристик по площади ТМП.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса [Беляев Б. А., Лексиков А.А., Макиевский И.Я., Тюрнев В.В. Спектрометр ферромагнитного резонанса // ПТЭ. 1997. №3. С. 106-111 (прототип)], представляющий собой корпус, внутри которого размещается микрополосковый резонатор с измерительным отверстием, вытравленным в металлизации его экрана. Микрополосковый резонатор является задающим контуром транзисторного СВЧ-генератора. К резонатору подключается амплитудный детектор (АД), с которого снимается сигнал, пропорциональный величине поглощения СВЧ-мощности участком пленки, расположенным под отверстием резонатора. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения исследуемого образца относительно измерительного отверстия. Данная конструкция выбрана прототипом заявленного изобретения.
Недостатком описанных выше устройств, в том числе конструкции-прототипа, является фиксированная частота высокочастотного магнитного поля резонатора. Для обеспечения высокой чувствительности в этих устройствах используют объемные или микрополосковые резонаторы с высокой добротностью, работающие на фиксированных частотах, что не позволяет проводить измерения частотных зависимостей магнитных характеристик на локальных участках ТМП. Тогда как известны применения магнитных пленок, например, в датчиках слабых магнитных полей [Бабицкий А. Н., Беляев Б.А., Боев Н.М., Скоморохов Г.В., Изотов А.В., Галеев Р.Г. Магнитометр слабых квазистационарных и высокочастотных полей на резонансных микрополосковых преобразователях с тонкими магнитными пленками // Приборы и техника эксперимента. 2016. №3. С. 96-104], возбуждение ТМП в которых происходит на оптимальной частоте в диапазоне 0.4-0.8 ГГц. Особую важность для обеспечения предельной чувствительности датчиков слабых магнитных полей имеет задача определения магнитных характеристик ТМП во всем диапазоне частот для выбора оптимальной рабочей частоты.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение возможности частотной подстройки чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой, содержащем СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, новым является то, что над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием индуктивного элемента задающего резонатора СВЧ-генератора, расположенного над измерительным отверстием, а также наличием варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи. Существенное отличие заключается в том, что одновременно с подстройкой частоты задающего резонатора осуществляется регулировка коэффициента положительной обратной связи и режима работы СВЧ-генератора - это позволяет для каждого значения рабочей частоты чувствительного элемента выбирать оптимальный режим работы по критерию максимума отношения сигнал/шум.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Данное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема чувствительного элемента сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой, а на фиг.2 показана его конструкция.
Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой содержит (фиг.1) транзисторный СВЧ-генератор (1) по схеме Клаппа с общим эмиттером и заземленным коллектором. СВЧ-генератор (1) включает задающий резонатор с высокодобротными варикапами (2, 3) и индуктивным элементом (4). Амплитудный детектор (5) своим входом подключен к резонатору СВЧ-генератора (1), а его выходной сигнал является выходным сигналом устройства. Под индуктивным элементом (4) задающего резонатора размещается измерительное отверстие (6), вытравленное (фиг. 2) в экране (7). Исследуемый образец размещается вблизи измерительного отверстия (6), диаметр которого определяет площадь исследуемой локальной области образца ТМП. Электрорадиоизделия устройства размещаются на верхней стороне печатной платы (8), закрепляемой в корпусе (9). Корпус (9) устанавливается в сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса с помощью полого штока, внутри которого прокладывают провода питания и провода, соединяющие выход амплитудного детектора (6) с блоком обработки сигналов сканирующего спектрометра ФМР.
Устройство работает следующим образом. Транзисторный СВЧ-генератор (1) возбуждает колебания в задающем резонаторе, индуктивная часть (4) которого размещается над измерительным отверстием (6) в экране (7). Частота возбуждения СВЧ-генератора определяется из выражения ω2=[1/С1+1/(С2+С3)+1/(С4+С5)]/L, где С1 и (С2+С3) - емкости обратной связи, (С4+С5) - емкость резонатора, L - индуктивность резонатора. Вблизи измерительного отверстия (6) локализуется высокочастотное магнитное поле. ТМП размещается со стороны экрана (7) исследуемым участком к измерительному отверстию (6). Переменное магнитное поле взаимодействует с локальной областью исследуемого образца. При развертке постоянного магнитного поля, ортогонального направлению переменного поля, происходит поглощение электромагнитной энергии образцом в условиях ФМР, что приводит к изменению амплитуды колебаний генератора, фиксируемого АД (5). Выходной сигнал АД (5), пропорциональный величине поглощения СВЧ-мощности образцом, поступает в блок обработки сигналов сканирующего спектрометра ФМР. Сканирование осуществляется путем перемещения и вращения исследуемого тонкопленочного образца относительно измерительного отверстия (6) со стороны экрана (7). Частотное сканирование осуществляется путем подачи регулирующих напряжений на входы А, Б и В. Причем заранее для каждого значения частоты (регулируется напряжениями на варикапах (2, 3), подаваемыми на входы А и Б), определяются оптимальное значение коэффициента положительной обратной связи (регулируется напряжением на входе Б) и оптимальный режим работы СВЧ-генератора (определяется напряжением на входе В) по критерию максимума отношения сигнал/шум чувствительного элемента.
Предложенная конструкция чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР с частотной подстройкой может быть использована для измерения частотных зависимостей различных магнитных характеристик тонкопленочных образцов. Экспериментальные исследования заявленного чувствительного элемента сканирующего спектрометра ФМР с частотной подстройкой показали возможность измерения частотных зависимостей в диапазоне f0±10%.
Claims (1)
- Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой, содержащий СВЧ-генератор с задающим резонатором, амплитудный детектор и взаимодействующий с измеряемым участком образца элемент, выполненный в виде экрана с измерительным отверстием, размещенным под резонатором, отличающийся тем, что над измерительным отверстием располагается индуктивный элемент задающего резонатора СВЧ-генератора, причем СВЧ-генератор дополнительно содержит один или более варикапов, предназначенных для подстройки частоты задающего резонатора и для регулировки коэффициента положительной обратной связи, а также дополнительно содержит вход для регулировки тока базы транзистора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019109336A RU2707421C1 (ru) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019109336A RU2707421C1 (ru) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2707421C1 true RU2707421C1 (ru) | 2019-11-26 |
Family
ID=68653249
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019109336A RU2707421C1 (ru) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2707421C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU917150A1 (ru) * | 1980-05-05 | 1982-03-30 | Предприятие П/Я В-2836 | Способ определени структуры тонких магнитных пленок |
US5030914A (en) * | 1989-11-16 | 1991-07-09 | Jasper Jr Louis J | Electron paramagnetic resonance instrument with superconductive cavity |
RU2160441C2 (ru) * | 1998-10-21 | 2000-12-10 | Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН | Способ неразрушающего контроля ферромагнитных материалов |
US7034550B2 (en) * | 2000-10-10 | 2006-04-25 | Keele University | Ferromagnetic resonance measurement |
RU114159U1 (ru) * | 2011-10-31 | 2012-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Спектрометр электронного парамагнитного резонанса |
-
2019
- 2019-03-29 RU RU2019109336A patent/RU2707421C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU917150A1 (ru) * | 1980-05-05 | 1982-03-30 | Предприятие П/Я В-2836 | Способ определени структуры тонких магнитных пленок |
US5030914A (en) * | 1989-11-16 | 1991-07-09 | Jasper Jr Louis J | Electron paramagnetic resonance instrument with superconductive cavity |
RU2160441C2 (ru) * | 1998-10-21 | 2000-12-10 | Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН | Способ неразрушающего контроля ферромагнитных материалов |
US7034550B2 (en) * | 2000-10-10 | 2006-04-25 | Keele University | Ferromagnetic resonance measurement |
RU114159U1 (ru) * | 2011-10-31 | 2012-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Спектрометр электронного парамагнитного резонанса |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4072601B2 (ja) | 空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置 | |
US9287606B2 (en) | Dual-mode microwave resonator device and method of electron spin resonance measurement | |
JP5162473B2 (ja) | 核磁気共鳴信号の検出に用いる電位センサ | |
US20210239641A1 (en) | Soil moisture sensor and operating method thereof | |
JP3691812B2 (ja) | 共振器を用いて複素誘電率を測定する方法および前記方法を実施する装置 | |
EP0570592A1 (en) | Electron spin resonator | |
Henning et al. | Magnetostriction measurement by means of strain modulated ferromagnetic resonance (SMFMR) | |
JP3860840B2 (ja) | 分光法のための交差ループ共振器の構造 | |
JPH01193607A (ja) | 誘電マイクロ波共振器の使用方法およびセンサ回路 | |
Knoebel et al. | A Transition Nuclear Magnetic Resonance Detector | |
WO1997038331A9 (en) | Crossed-loop resonator structure for spectroscopy | |
RU2707421C1 (ru) | Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса с частотной подстройкой | |
US4290017A (en) | Apparatus and method for nondestructive evaluation of surface flaws in conductive materials | |
Strandberg et al. | Recording Magnetic‐Resonance Spectrometer | |
JP3443010B2 (ja) | 共振器及び電子スピン共鳴測定装置 | |
Walczak et al. | L-band electron paramagnetic resonance spectrometer for use in vivo and in studies of aqueous biological samples | |
JP4388539B2 (ja) | 共振器及び磁気共鳴測定装置 | |
RU2318218C1 (ru) | Устройство для измерения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках | |
RU2715082C1 (ru) | Свч-головка сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса | |
Simovič et al. | Design of Q-band loop-gap resonators at frequencies of 34–36GHz for single electron spin spectroscopy in semiconductor nanostructures | |
US11598743B2 (en) | Soil monitoring sensor including single probe and temperature compensation and method of operating the same | |
RU2714314C1 (ru) | Способ измерения магнитных характеристик ферромагнитных пленок и устройство для его осуществления | |
CN112816790A (zh) | 一种量子电容测量系统及其测量方法 | |
RU2793577C1 (ru) | Устройство для измерения шумов тонких магнитных пленок в СВЧ-диапазоне | |
RU2691996C1 (ru) | Чувствительный элемент сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса |