DE1951230C - Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung durch kohärente Drehung Dtoeer Umkieppmeohanis· sohwacher Magnetfelder, Inibesondere zur Messung jnue hat im Vergleloh «um anderen möglichen Mechader Komponente eines Magnetfelds in einer bestimm· nJsmus In dünnen magnetischen Sohiohten durch ten Richtung, Wandverschiebung den Vorteil, daß das Berkhausen»

Es ist bereits bekannt, das Magnetfeld an einem Ort « Bauschen nicht auftritt.

zu messen, indem an diesen Ort eine Sonde gebracht Die Vorrichtung zur Messung schwacher Magnet· wird, die durch einen Kern aus einem Ferromagneti- folder ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch kum, das eine Hystereseschleife hat, und eine Spule eine dünne ferromagnetische Inversionsschicht, auf gebildet 1st, die das Beaufschlagen des Kerns mit die das zu messende Feld einwirkt, durch eine Eineinem per) tischen Magnetwechselfeld solcher Am· to richtung zur Erzeugung eines symmetrischen, perioplitude erlaubt, daß der Kern in den Sättigung«.· dischen Webhselpumpfelds, das parallel zur Magnetlzustand gelangt. Der Betrag des Magnetfelds kann aierungsvorzugsachse der Schioht ausgerichtet ist, durch Messung der Amplitude von Oberschwlndung»· durch eine Fühlwicklung auf einer Achse parallel zur paaren der erhaltenen Signale (im allgemeinen bei der Magnetisierungs-Vorzugsachse der Schicht und durch doppelten Frequenz des Erregerstroms) durch eine 15 eine Untersuchungseinrichtwng zur Untersuchung der zweite Spule gemessen werden, die sich ebenfalls auf von der Fühlwicklung empfangenen Signale, dem Kern befindet. An der Schicht wird gleichfalls ein Polarisationsfeld

Derartige Vorrichtungen werden bereits verwendet, angelegt, das senkrecht zur Vorzugsachse gerichtet ist, genügen jedoch nicht den Anforderungen für diii mindestens, wenn die Schicht ein ebenes Plättchen ist. genaue Messung von sehr schwachen Magnetfeldern, ao Man kann die Signale analysieren, um die Zeitinter-Die Ursache dafür ist insbesondere das starke und valle zu bestimmen, die aufeinanderfolgende Richunvermeidbare Untergrundrauschen, das das Nutz· tungsumkehrungen der Induktion in der Schicht signal überdeckt, sobald dieses schwach wird. trennen, wobei die Differenz zwischen zwei auf-

Es ist ferner bereits eine Vorrichtung zur Messung einanderfoigenden Zeitintervallen für die Feldkomvon Magnetfeldern bekanntgeworden (vgl. USA.·· «5 ponente auf der Vorzugsachse repräsentativ ist.
Patentschrift 3 271 665), die als Fühler einen ferro· Da jedoch die direkte Messung der Zeitintervalle

magnetischen Dünnschichtfilm benutzt, der in Rieh· schwierig ist, ist es im allgemeinen vorzuziehen, die tung einer Achse leicht magnetisierbar ist, die im Amplitude eines Oberschwingungspaares (vorzugsfolgenden Vorzugsachse genannt werden soll. Diesem weise der ersten harmonischen Oberschwingung) eines Dünnschichtfilm sind zugeordnet: eine Pumpwicklung, 30 elektrischen Signals zu messen, das in einer der die ein entlang der Vorzugsachse gerichtetes Magnet- Schicht zugeordneten Spule erzeugt wird und Indukfeld liefert, eine Fühlwicklung auf einer Achse senk- tionsschwankungen in der Schicht wiedergibt. Um d;is recht zur Vorzugsachse und eine Kompensations- Grundsignal zu unterdrücken, kann man vorteilhaftei wicklung, die die gleiche Achse wie die vorhergehende weise eine symmetrische Brücke von zwei dünnen Wicklung hat und ein Feld erzeugt, das zu der zu 35 Plättchen verwenden.

messenden Feldkomponente entgegengesetzt gerichtet Unter der Bezeichnung »Schicht« sollen Werkstoffe

ist, die in Richtung senkrecht zur Vorzugsachsc aus- verstanden werden, die sowohl in Draht- als auch in gerichtet ist. Diese Vorrichtung erzeugt in der Fühl- gewöhnlicher Plättchenform vorliegen. Die erste Werkwicklung ein Ausgangssignal, das von der Kompo- stoffart hat den Vorteil, den Rt- v_On Schichten mit nente senkrecht zur Vorzugsachse des auf den Dun;. 4> ·\, ; !einen Abmessungen zu m'"^¹«,.hen
schichtfilm einwirkenden Felds aNi»np;' <■■*.- r**~renz Oben unu m der folgenden Beschreibung wird unter

zwischen dem äußeren Fri»; * «ein hciu der Korn- der R dehnung »Inversionsschicht« eine schient pi' ...:.;,*.WiMUIi₆;, verstanden, für die im Gegensatz zu den gewöhnlich

Einen ähnlichen Aufbau hat eine andere bekannte verwendeten Schichten die kritische Kurve der kohä-Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern (vgl. 45 renten Gesamtdrehung sich vollständig innerhalb der USA.-Patentschrift 3 239 754, insbesondere F i g. 3 kritischen Kurve der Wandverschiebung befindet, und 5) bei der jedoch keine Kompensationswicklung Außerdem wird unter der Bezeichnung »Pumpfeld« vorgesehen ist. ein periodisches, symmetrisches Wechselfeld verstan-

In diesen Vorrichtungen findet eine Magnetisierungs- den, das im allgemeinen sinusförmig ist.
umkehr im Dünnschichtfilm bei jedem Richtungs- 50 Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Vorwcchsel des Felds statt, das durch die Pumpwicklung richtung der Erfindung ist das Polarisationsfeld auf der erzeugt wird. Dieses Umklappen kann nur durch »Nichtvorzugsachse« der Schicht (senkrecht zur VorVerschiebung der Wände im Dünnschichtfilm statt- zugsachse) ein Gleichfeld mit einem Betrag größenfinden, was zu starkem Barkhausen-Rauschen führt ordnungsmäßig gleich der Amplitude des Pumpfelds, und die Empfindlichkeit begrenzt. In der Praxis 55 Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der können diese Vorrichtungen nicht zur Messung von Vorrichtung der Erfindung ist das Polarisationsfeld Feldern von weniger als 1Oy (Iy = IO-⁶Oe) ver- auf der Nichtvorzugsachse der Schicht (senkrecht zur wendet werden. Außerdem begrenzt dieses Rauschen Vorzugsachse) ein Wechselfeld und durch die Komdie Meßgenauigkeit. poncntc auf der Nienivorzugsachse eines Wechselfelds

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Eio gebildet, dessen Komponente auf der Vorzugsachse ;ine Vorrichtung anzugeben, die besser als die be- das Pumpfeld bildet.

<annten Vorrichtungen den Anforderungen der Praxis Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher

»enügt, insbesondere durch Erhöhung der erreichbaren erläutert. Es zeigt

vleßgenauigkeit. F i g. 1 schematisch die Änderungen der Magneti-

Der Erfindung liegt die Ausnutzung eines Effekts 05 sierungskomponente Λ/e, die parallel zur Aufprägungs- :ugrunde, der nur ein sehr schwaches Untergrund- richtung eines Außenfelds He verläuft, das einen auschen aufweist,, nämlich der Richtungsumkehr der Winkel Θ mit der Magnetisierungsvorzugsachse einer nduktion in einer dünnen ferromagnetischen Schicht dünnen Inversionsschicht bildet, die außerdem von

einem Magnetfeld h beaufschlagt ist, das entlang der Vorzugeaohse vorlftuft,

FI g. 2 schematisch die kritisohe Kurve der koharen· ten Gesamtdrehung, die kritische Kurve der kohärenten Teildrehung und die kritische Kuive der Wand· i verschiebung einer dünnen Schicht, die verwendet werden kann, um die Signale nachzuweisen, die durch die Magnetisierungsumkehr bei Anlogen des Wechsel« felds in Vorzugsrichtung erzeugt werden, für verschiedene Werte des PolarlsationsgleichfeMes, das auf der Nichtvorzugsachse einwirkt,

F i g. 3 stark vereinfacht ein Schaltbild der elektrischen Vorrichtung, die einer Schicht zugeordnet ist, um ein Magnetometer zu bilden,

F i g. 3 bis das Schaltbild des in F i g. 3 verwendeten is Detektors,

F i g. 4 den zeitlichen Verlauf des Pumpfelds und des Ausgangssignals der Vorrichtung von F i g. 3 und

F i g. 5 ähnlich F i g. 3 die einem Draht zugeordnete »o Vorrichtung, um ein Magnetometer zu bilden.

Es sollen zunächst einige Eigenschaften von dünnen anisotropen Schichten wiederholt werden. Diese Schichten, die von Ferromagnetika gebildet werden, haben eine Vorzugsrichtung oder -achse, in die die as Magnetisierung sich ausrichten will. Dagegen zeigt die Magnetisierung nicht die Tendenz, sich in Richtung senkrecht dazu auszurichten, die daher Nichtvorzugsachse genannt wird. Sobald die Magnetisierung entlang der Vorzugsachse in dem Plättchen stattgefunden hat, hat ihre Ausrichtung eine große Stabilität, so daß es zur Richtungsumkehr notwendig ist, ein Feld aufzuprägen, das eine Komponente mit entgegengesetztem Richtungssinn bei kleinem Betrag hat.

I- 1 g. s rfii^t die Hystereseschleife einer derartigen dünnen ferromagnetischen Schicht, die unter der Finwirkung eines magnetischen Wechselfelds Hn konstanter Richtung steht, das einen Winkel Θ von etwa Ay n>i> Jiv iviagnetisierungsvorzugsachse der Schicht bildet. Man lctu:i. *\λ Sättigungsfeld /Z₀ nachweise*., i·· von Uc¹V cib r·'. '.:\t einzige Gleichgewichtsia^ iu: die Magnetisierung Me vorhanden ist. Allgemeiner gesagt, es ist bekannt, daß für eine gegebene Schicht eine Kurve existiert, die sogenannte »kritische Kurve«, die die Form einer Astroide hat und den Betrag des Magnetfelds gibt, das in den verschiedenen Richtungen relativ zur Vorzugsachse angelegt wird, und von der ab es nur einen einzigen stabilen Zustand für die Magnetisierung gibt: Eine ausführliche Darstellung ist im Schrifttum zu finden, z. B. in der Veröffentlichung »Les alliages ferromagnetiques dans les dispositifs ä momoires« von G. Grunberg (Colloque international sur les techniques des momoires, Paris, 1965, S. 85).

Die in F i g. 1 abgebildete Hystereseschleife ist als Funktion des auf das Plättchen einwirkenden Gesamt-Magnetfelds H_e gezeichnet: Wenn dieses Feld durch die Summe eines zu messenden konstanten Feldes Ii und eines Wechselfelds gebildet wird, tritt, eine Differenz relativ zum Ursprung der Felder auf. Wenn das Wechselfeld symmetrisch ist und eine konstante Frequenz aufweist, äußert sich das Vorhandensein des zusätzlichen Felds /1 durch verschiedene Zeitintervalle zwischen den Zeitpunkten der aufeinanderfolgenden Umklappvorgänge. Man kann daher das angelegte Feld messen, indem diese Zeitintervalle entweder direkt (durch Erfassen der Umklappzeitpunkte) oder indirekt, wie noch erläutert werden wird, durch Messung der Amplitude vou Qbersehwingunpnaaren, vorzugsweise dor ersten (harmonischen) Oberschwingung, gemessen werden.

Vor der genaueren Beschreibung eines Ausführung»· beispiels der Vorrichtung zur Messung von Mugnetfeldern soll noch daran erinnert werden, daß das Um· klappen der Magnetisierung in einer dünnen ferromagnetischen Schicht mit einachsiger magnetischer Anisotropie durch mehrere Mechanismen vor sich gehen kann. Bei Annahme, daß die Schicht ein Bereich ist, zeigt die Theorie, daß das Umklappen durch kohärente Qesamtdrehung der Magnetisierung vor sich geht, sobald der Vektor des angelegten Felds die kritische Kurve überschreitet (Kurve I in F i g. 2). Diese Kurve ist im wesentlichen durch den Betrag des Felds //* charakterisiert, das das Anisotropiefeld genannt wird, für das sie die Magnetisierungsvorzugsachse schneidet.

Tatsächlich zeigen die Experimente der Magnetisie.rungsumkehr in dünnen ferromagnetischen Schichten gewöhnlich, daß die Richtungsumkehr nicht so vor sich geht, wie sie von der Theorie der kohärenten Drehung vorausbestimmt wird. Es ist daher denkbar, obwohl diese Erklärung nur eine Hypothese darstellt, daß diese Abweichung zwischen Theorie und Experiment auf das Vorhandensein von mehreren Bereichen entgegengesetzter Magnetisierung zurückzuführen ist und damit auf die Existenz von Trennwänden zwischen den Bereichen, während die Theorie einen Einbereichszustand der Magnetisierung voraussetzt.

Wie dem auch sei, die Magnetisierungsumkehr in den gewöhnlichen Schichten findet den größten Teil der Zeit durch Wandverschiebung statt und ruft eine Vergrößerung derjenigen Bereiche hervor, deren Magnetisierung anfangs .!r.r ^Λ vs ' -H»-mp nhe der des Eiuteiistands iiu'weist. Man kauft so cmc iweits kritische K jrve nachweise'·¹, .än^ch ier ^genannten Wandverschiebung: Die Mugrift; icrujigs.mkehr tritt ein, wenn der Vektor des a;i(>elen::cri Fe!:i:> diev? Kit ^r überschreitet, üie insbesor;f£! ·, i- ;rh ic* in...-ö Hc ucs Felds aui ütr Vorzugsachse charaKtensiert werden kann, für den die Magnetisierungsumkehr durch Wandverschiebung stattfindet.

Für dünne Schichten, deren Dicke etwa 2000 Ä beträgt, hat die Hystereseschleife auf der Nichtvorzugsachse eine wesentlich andere Form als aui der Vorzugsachse und reduziert sich auf eine Linie. Für bedeutend geringere Dicken deformiert sie sich so, daß sie einer Schleife auf der Vorzugsachse ähnelt, und zwar von etwa 500 A an. Man kann einen zusätzlichen charakteristischen Parameter feststellen, der durch die Querkoerzitivkraft H_ct gebildet wird (die Feldschwelle, die: eine plötzliche Magnetisierungsumkehr in der NichtVorzugs- oder Querrichtung hervorruft). Die Bedeutung dieses Parameters wird noch aufgezeigt werden.

In den gewöhnlichen ferromagnetischen Schichten sind die Felder H_c und Hct kleiner als das Feld lh, und die Verwendung der Magnetisierungsumkehr in einer derartigen Schicht zur Messung eines Magnetfelds stößt auf die Schwierigkeit des Barkhausen-Rauschens, das die Wandverschiebung begleitet.

Im Gegensatz dazu liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, zur Feldmessung die Magnetisierungsumkehr durch kohärente Drehung auszunutzen, was offensichtlich erfordert, daß die Ungleichung H₀ > //* erfüllt ist. Anden» ausgedrückt, die gegenseitige Lage der Kurve II (krkische Kurve der Wandverschiebung)

und der Kurve I (Kurve der kohärenten Gesamt- verknüpft ist, !sondern mehr mit dem Verhältnis HaIHk,

drehung) muß wie in Fig. 2 abgebildet sein. Man das größer .als 1 sein muß. Insbesondere verringert

kann dünne ferromagnetische Schichten, die derartige sich die minimale Grenze, wenn HaIHt ansteigt, m

Eigenschaiften aufweisen, durch besondere Fenigungs- dem Maße, wie dieser Anstieg nicht von einem Anstieg

verfahren erhalten, beispielsweise durch das Auf- 5 der α-Dispersion begleitet ist. Für derartige Schichten

dampfen auf Glas von einer Legierung von 18% Fe ist der tatsächliche Mechanismus des Umklappens

und 82% Ni in Vakuum and Erhitzung auf eine höhere nicht genau gleich dem oben beschriebenen, sondern

Temperatur von 35O^c C und mehr. Derartige Schichten führt zu Ergebnissen, die denen für /7* > H_k sehr

werden »inversioasschichten« genannt. ähnlich sind.

Man könnte annehmen, daß die Magnetisierungs- to Die Erfindung nutzt nun die obigen Eigenschaften, umkehr in derartigen Schichten sich immer durch indem ein Umklappen der Magnetisierung durch kohärente Drehung vollzieht, da die Kurve I an allen kohärente Teildrehung in einer Zone des Polarisations-Punkten von der Kurveil eingeschlossen ist. Die felds hervorgerufen wird, für die die Wandverschiebung Experimente haben jedoch gezeigt, daß das nicht nicht oder nur schwach auftritt, d. h. für die Zone, die immer der Fall ist und daß die Magnetisierung sich 15 schematisch durch den schraffierten Bereich in noch umter Wandverschiebung umkehrt, wenn das F i g. 2 abgebildet ist.

angelegte Gesamtfeld in die Vorzugsachse oder in Das Poiariisationsfeld auf der Vorzugsachse kann

deren unmittelbare Nähe ausgerichtet ist. Wenn der auf zwei Arten erzeugt werden:

Vektor des angelegten Felds auf der Vorzugsachse 1. Es kanu durch ein Gleichfeld gebildet sein, das

liegt, ändert sich der Mechanismus der Richtungs- ao durch eine Spule erzeugt wird, die von der Spule

umkehr, und man beobachtet ein neues Phänomen. getrennt ist, die das Pumpfeld auf der dazu senkrechten

Um das Verhalten der Inversionsschicht zu zeigen. Achse erzeugt. Der obenerwähnte Bereich entspricht

, , . - , · j 7 -,iM daher einem Polarisationsfeld <//<· oder H_rt. wobei

ist in F ig, 2 der Verlauf der Änderung in der Zeit _{af &}^_% Polarisationsfeld außerdem die Komponente

der Magnetisierungsumkehr in einer Schicht abge- 35 auf der Nichtvorzugsachse des äußeren Felds aufweist, bildet, die ausgesetzt ist der Resultierenden von: dessen Komponente auf der Vorzugsachse zu messen

eines Polarisationsgleichfelds H_p auf der Nicht- «^ _{diesem Zusammenh miissen emi Anmerkim}.

vorzugsachse und _{gen gemacht wcrden: Zunachst ist der Betrag der}

eines periodischen Wechselfelds auf der Vorzugs- ₃₀ Komponente des zu messenden Felds auf der Nicht-

achse. dessen Amplitude groß genug ist, um die vorzugsachse vernachlässigbar im Vergleich zu dem

Magnetisierungsumkehr hervorzurufen. _des äußeren Polarisationsfelds in der Größenordnung

Man sieht, daß, wenn das Polansationsfeld Null ist, von 1 Oe, wenn das Magnetometer zur Messung von

das Umklappen sich während zwei Zeiten vollzieht. schwachen Feldern von 0,1 bis 1000)» beispielsweise

Für ein Feld Ht zwischen Ht und H_f tritt ein erstes 35 verwendet wird. Andererseits ändert sich die KaIi-

dA/ r η i_ · f j η » υ brierung des. Magnetometers kaum für eine ziemlich

Signal _di auf. Danach tritt fur den Betrag H_f em ^₀Q₆ Änderung des Polarisationsfelds um das

viel stärkeres Signal auf, das anzeigt, daß das Um- Optimum.

klappen im wesentlichen durch Wandverschiebung 2. Es kann durch die Komponente auf der Nicht-

vorgenommen ist. *° vorzugsachse: eines Wechselfelds gebildet sein, dessen

Wenn das Polarisationsfeid einen Betrag //„, an- Komponente auf der Vorzugsachse das Pumpfeld

nimmt, der insbesondere kleiner als Ht ist, kehrt sich bildet. Dieses Wechselfeld wird daher durch eine

das Verhältnis zwischen den Amplituden der beiden einzige Spule erzeugt, die einen Winkel von etwa

Signale um. ^{30 bis} ^"^mi* der Vorzugsachse bildet.

Für einen noch größeren Betrag H_n, der immer 45 Diese Lösung, die beim gegenwärtigen Stand der

noch kleiner als Hi ist, stellt man nur noch ein ein- Technik nu: für ebene Schichten anwendbar ist, führt

ziges Signal fest. Der Betrag des Felds, der das Auf- zur Koaxialanordnung der Pumpwicklung und der

treten des Signals hervorruft, verschiebt sich auf einer Fühlwicklung in einer Richtung geneigt zur Vorzugs-

Kurvc 111 ähnlich der Kurve 1. aber außerhalb von achse. In diesem Fall ist es zweckmäßig, der Schicht dieser, die die Vorzugsachse im Betrag Wi' des Felds 5» zu dieser Vorzugsachse schlage Seiten zu geben, um

schneidet. Diese Kurve III wird »kritische Kurve der die Sperrigkeit der Wicklungen zu verringern.

Teiidrchung· genannt Es sol! ir;et ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens

Für Felder H_n, H_pt usw., die größer als Ht sind. beschrieben werden, das ein Polarisationsglcichfeld

werden die Signale schwächer, das Umklappen ist viel und dünn»· Plättchen als Schichten verwendet. Die in langsamer, und man verläßt schnell die Zone, in der SS F i g. 3 abgebildete Vorrichtung mißt die Amplitude

3eTköS^{lindllChkCil Und Gcnamgkeit errCichl} der ersten Oberschwingung von *» , d,e mindestens Das Umklappen der Magnetisierung für ein ange- in einem auf schwache Felder begrenzten Bereich legtes Feld entsprechend der Kurve 111 scheint sich proportional zur Komponente A des Gleichfclds auf durch kohärente Drehung zu vollziehen, da es von 6° der Vor/ng\achse ist.

Barkhausen-Rauschen fre, ist und ein Signal ^d" ent- JLfI^J?*¹¹,¹¹ "Ε *Τ3ν "^i* ^d'^C

ai zwei dünne Schichten 12 und 12 und zugehörige

stehen läßt, das genau richtig ist und dessen Amplitude Wicklungen gebildet ist. Die Vor/ugsachsen der

man daher genau messen kann. beiden Schichten sind parallel oder fluchtend und die I s ergibt sich jedoch manchmal, daß hinsichtlich 63 Komponcnic Λ auf der Vorzugsachse des angelegten

der vorpcschciicn Anwendung die Qualität einer iußercn Felds ist zu messen.

«Kirnen Schicht, für die m;in H_r< definieren kann. Die dünne Schicht 12, beispielsweise in Form eines

mehl direkt mil dem Wert des Verhältnisses HrIH₁ rechteckigen PlÄItchens. das /wci Seiten nnrallel /ur

Vorzugsachse aufweist, ist mit einer Pumpwicklung 14, weise veränderlichem Verhältnis, tntsprechend beidurch die ein Generator 16 einen elektrischen Strom spielsweise aufeinanderfolgenden Potenzen von 10, mit stabilisierter Frequenz/ schickt, und mit einer ermöglicht es, dem Magnetometer variable Meß-Fühlwicklung 18 koaxial zur Wicklung 14 versehen. bereiche und Empfindlichkeit zu verleihen, z. B. von Der Schicht 12 ist außerdem eine Polarisationswick- 5 0 bis 5y,0 bis 50y und 0 bis 500y. lung 20 zugeordnet, die von einer Gleichstromquelle 22 Der Synchrondetektor 26 kann die schematisch in versorgt ist und die ein Dauerfeld H_v auf der Nicht- F i g. 3bis gezeigten Stufen aufweisen. Das Bezugsvorzugsachse senkrecht zum Pumpfeld erzeugt. signal mit der Frequenz/ vom Generator wird in einen

In der in F i g. 3 abgebildeten Schaltung versorgt Phasenschieber 36 eingespeist, der von 0 bis 180° der Generator 16 die parallelgeschalteten Wicklun- io regelbar ist, danach in einen Frequenzdoppier 38 und gen 14 und 14'. Damit es möglich ist, die beiden in einen Kegel- und Impulsformer 40 eingespeist, der Ströme in den beiden Wicklungen abzugleichen, ein Rechtecksignal mit vorgegebener Amplitude absind diese an den Enden an einen Widerstand 23 an- gibt, das unabhängig von der Phasenregelung ist, und geschlossen, während der Generator 16 mit dem zwar mit der Frequenz 2/.

Widerstand 23 an einem verstellbaren Abgriff ver- 15 Das eigentliche Erfassen wird durch einen Multibunden ist. Die Wicklungen 14 und 14' sind ersichtlich plizierer 42 vorgenommen. Das zu messende Signal in entgegengesetztem Sinn gewickelt, so daß die Pump- wird in einen Verstärker eingespeist, der abwechselnd felder in den Schichten 12 und 12' um 180° phasen- durch das Rechtecksignal gesperrt und geöffnet wird, verschoben sind. Die Polarisationswicklungen 20 und Das zerhackte Ausgangssignal wird in einen Integra-20' mit gleichem Richtungssinn werden in Reihen- 20 tor 44 mit schmalem Durchlaßband eingespeist, der schaltung stromversorgt. Die Fühlwicklungen 18 und an eine Anzeigeeinrichtung 28 angeschlossen ist. 18', die den gleichen Wicklungssinn haben und in Die Arbeitsweise der Vorrichtung von F i g. 3 ist in Reihe geschaltet sind, versorgen eine Meßkette. Die F i g. 4 abgebildet, die die zeitliche Änderung der Meßkette hat einen Verstärker 24, der zur wahlweisen Signale zeigt, die in der Vorrichtung auftreten. Verstärkung der Frequenz 2/, die gleich der doppelten as Die Kurve 30 oben in F i g. 4 und die Kurve 30' Frequenz des Generators 16 ist, an einen Synchron- zeigen das Pumpfeld, das auf der Vorzugsachse der detektor 26 angeschlossen ist, der die Amplitude und Schichten 12 bzw. 12' angelegt wird. Bei diesen Kurven das Vorzeichen der Spannung bei dieser doppelten bezeichnet h das zu messende Feld und H₀ die Feld-Frequenz mißt, und an eine Anzeige- oder Registrier- amplitude, für die die Magnetisierung umklappt, einrichtung 28. Es kann zweckmäßig sein, eine elektro- 30 Damit das Umklappen durch kohärente Teildrehung statische Abschirmung zwischen die Pump- und Fühl- vor sich geht, werden die Schichten einem geeigneten wicklung zu setzen, deren kapazitive Kopplung von Polarisationsfeld ausgesetzt.

der einen Anordnung 14-18 zur anderen Anordnung -Wenn die Fühlwicklung 14, die zur Schicht 12 ge-

14'-18' verschieden sein kann. In den meisten Fäilen .... . _o. . dM ... . _. ,.,..,

ist aber eine derartige Abschirmung nicht unbedingt 35 ^h°^{rt> em Slg}"^al di ^{mit der in F}' * ⁴ ^gebildeten

notwendig. Form erhält, das durch Impulse gebildet ist, die in

Besondere Vorkehrungen müssen getroffen werden, Zeitintervallen τ, und T₄ wiederkehren, kann man, damit der Verstärker 24 nur die Oberschwingungen wie oben erläutert wurde, das Feld /1 aus einem Verempfängt, die wirklich in der Doppelsonde 10 erzeugt gleich der Zeitintervalle T₁ und T₁ und bei Verwendung werden, und nicht Streuoberschwingungen, die bei- 40 einer einzigen Schicht gewinnen. Diese Lösung ist in spielsweise vom Generator 16 stammen. Zu diesem der Praxis bedeutend schwieriger durchzuführen und Zweck kann man insbesondere zwischen dem Genera- führt zu einer bedeutend geringeren Empfindlichkeit tor 16 und den Wicklungen 14 und 14' ein Filter (nicht als für die Vorrichtung von F i g. 3. abgebildet) anordnen, das die doppelte Frequenz In ähnlicher Weise empfängt die Fühlwicklung 14',

ST* &SÄÄSÄS " *· **«** « «»-*« * -^gna, «'. da,

hafterweise zwischen die Wicklungen 18 und 18' und einer zeitlichen Änderung des angelegten Felds gemät

den Verstärker 24 geschaltet, um die Signale mit der der Kurve 30' entspricht. Die benachbarte Lage dei

üeneratorfrequenz auszusieben, die nur unvollständig c:___u ^dM _llnii ^dM _vnnA_nn w^u..„„„., \λ α *λ·

durch die Doppelsonde (beispielsweise wegen einer 50 ^S'^8nalc At ^und d, von den Wicklungen 14 und 14

Unsymmetrie von dieser) ausgesiebt worden sind und die in Serie geschaltet sind, ist in der unteren Kurvi

den Verstärker in den Sättigungszustand bringen von F i g. 4 zu sehen. Da das Feld h von Null ver

könnten. schieden ist, sind die Umklappvorgänge nicht gleich

Der Verstärker 24 muß daher den Bedingungen zeitig, so daß aufeinanderfolgende bipolare Impuls

genügen, die durch die kleine Amplitude des Signals ss entstehen. Wenn dagegen das Feld /1 Null ist, führ

während der Messung sehr schwacher Felder auftreten. die benachbarte Lage der Impulse zu einem result ic

Insbesondere muß er eine sehr hohe Verstärkung renden Nullfeld. Man kann zeigen, daß in einer

haben, ohne das Nutzsignal im Untergrundrauschen bestimmten Feldstärkebereich des Feldes h auf de

der Elektronik untergehen zu lassen. Zu diesem Zweck Vorzugsachse eine Proportionalität zwischen de

kann der Verstärker einen symmetrischen Vorver- 60 Amplitude der Oberschwingungspaare und der Feld

stärker mit schwachem Rauschen aufweisen (einen stärke /1 besteht.

Vorverstärker mit Differenzeingang, dereine Eingangs- Wegen der Zuordnung der beiden Schichten vci

stufe von Transistoren verwendet, die bei schwachem schwindet das Grundsignal vollkommen, so daß ei

Strom arbeiten), auf den Bandfilter folgen, die die Ausfiltern dieses Signals, das von der Wicklung 1

Frequenzen / und 3/ aussieben, ferner ein Impedanz· 6s zur Wicklung 18 übertragen wird, weniger dringlic

wandler, ein Abschwächer und ein srlcMivcr Ver ist

stärker mit hoher Verstärkung für die Frequenz 2/. Die Wahl de* :■ ,n^ifr-nwcti/. / it» ein Kot.

■ 'vcmiimg eint¹* Abschwächers mit stuft.. proiniU rwischcn verschiedenen Faktoren Du j

9 ^ 10

Amplitude einer beliebigen Oberschwingung direkt F i g. 3 abgebildet ist und oben unter 1 beschrieben proportional zur Erregerfrequenz ist, ist man daran wurde, ist es offensichtlich notwendig, das Magnetointeressiert, eine hohe Frequenz zu wählen. Eine zu meter zu kalibrieren. Die Kalibrierung der Empfindhohe Frequenz ist aber mit der Erzeugung von Magnet- lichkeit kann durch Vergleich mit einem sehr empfindfeldern durch Spulen nicht verträglich; im allgemeinen 5 liehen Absolutmagnetometer vorgenommen werden, ist eine Frequenz von etwa 80 kHz zufriedenstellend. z.B. einem Magnetometer mit magnetischer Kern-

Es ist offensichtlich notwendig, daß die Frequenz resonanz. Die Schwierigkeit, daß letzteres das Gesamt-

und das Polarisationsfeld sehr stabil sind. In der feld mißt, in das es eingebracht ist, und nicht eine

Praxis führt eine Messung mit einer Genauigkeit von Komponente, kann umgangen werden, indem in

etwa 0,1 γ des Erdfelds zu einer Stabilität mit einer io Richtung der Sonde ein Hilfsfeld überlagert wird, das

Genauigkeit von etwa 10~^e. man gleichzeitig mit den beiden Magnetometerarten

Es ist ferner zu berücksichtigen, daß die Messung mißt. Es muß dann noch der Nullpunkt bestimmt sehr schwacher Felder Signale sehr kleiner Amplitude werden, was erreicht werden kann, indem die Fühlentstehen läßt. Eine Näherungserrechnung zeigt, daß organe in eine abgeschirmte Kammer gebracht für / = 80 kHz, h — 0,1 γ und Amplituden von 2 Oe 15 werden, die einen Raum begrenzt, in dem das Feld und 1 Oe für das Pumpfeld und das Feld, bei dem sehr schwach oder sogar Null ist. das Umklappen auftritt, τ = 2 · 10~³ nsec wird (was Wie bereits oben erläutert wurde, sind zahlreiche praktisch unmöglich zu messen ist) und für einen Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbei-Sondentyp ein Signal von einigen 10"^e V entsteht. spiele möglich. Insbesondere kann man an Stelle

Im folgenden sollen Werte für ein praktisch erprob- ao voneinander getrennter Pump- und Fühlwicklungen tes Magnetometer angegeben werden. Die beiden eine einzige Wicklung verwenden, wobei das Pumpen magnetischen Plättchen mit einer Dicke von 250 A über ein Filter vorgenommen wird, das auf die Grundhatten folgende Kennwerte: frequenz abgestimmt ist, und das Erfassen über ein

Filter, das auf die Frequenz der ersten Oberschwin- Hc (Koerzitivfeld) 2,6 Oe 25 gung abgestimmt ist. Man kann auch an Stelle von Hct (Querkoerzitivfeld) 3,8 Oe getrennten Pump- und Polarisationswicklungen eine Hk (Anisotropiefeld) 2,3 Oe einzige Wicklung verwenden, die zur Vorzugsachse

«_eo (Dispersion) 1,8° unter einem Winkel von 30 J>is 60° geneigt ist und ein

Mindestrauschen 0,5 γ Wechselfeld erzeugt, dessen Komponente auf der

30 Vorzugsachse das Pumpfeld bildet. Diese Ausrichtung

Jede Pumpwicklung hatte ebenso wie jede Fühl- der Spule ist so vorgenommen, daß der Vektor des

wicklung 500 Windungen mit einem Durchmesser von angelegten Magnetfelds die Kurve II in der Zone

0,2 mm. Jede Polarisa'tionswicklung hatte 50 Windun- überschreitet, wo das Umklappen durch kohärente

gen. Die Schichten und ihre Pump- und Fühlwicklun- Teildrehung vor sich geht.

gen nahmen zusammen ein Volumen von 5 · 8 · 50 mm 35 An Stelle der durch ebene Plättchen gebildeten

ein, wobei alle Wicklungen einen rechteckigen Quer- Schichten kann man rohrförmige Schichten verwenden,

schnitt hatten. ^{dic auf} Drähten niedergeschlagen sind. Man kann

Eine derartige Vorrichtung erlaubt die Messung dann die Vorrichtung von F i g. 5 benutzen, wo der

sehr schwacher Felder, die kleiner als 1 γ sind. Der Vorrichtung von F i g. 3 entsprechende Bauteile die

Höchstwert des Felds, der gemessen werden kann, 40 gleiche Bezugszahl plus 100 tragen,

hängt davon ab, wie das Feld gemessen wird. Die Vorrichtung von F i g. 5 hat zwei parallele oder

1. Wenn man die' Vorrichtung von F i g. 3 ver- fluchtende Drähte, die jeweils eine Kupferseele 32 bzw. wendet, ist es ersichtlich, daß die obere Grenze der 32' haben, die von einer Glasbeschichtung 34 bzw. 34'

meßbaren Felder kleiner als "* ist, was für //*=-- 2,3 Oe ^ jgjgj j$j£ Jg. «™ ^dü"^ne ""d gleichmäßige

2 45 öcnicnt uz bzw. 112 aus einer Eisen-Nickel-Legierung

ein Feld von größenordnungsmäßig 1 Oe ergibt, man mit Längsvorzugsachse niedergeschlagen ist. Dn^

kann daher diesen Wert durch Erhöhung von H_c und Niederschlagen wird beispielsweise durch kathodisches

Hk erhöhen. Zerstäuben vorgenommen. Eine Stromquelle 122

2. Um sich von dieser Grenze freizumachen, genügt schickt einen Gleichstrom durch die Drähte, der ein es, das Magnetometer als Nulldetektor zu verwenden. So tangentiales Polarisationsfeld hervorruft.

wobei das vom Detektor 26 gelieferte Signal einen In F i g. 5 ist auch ein Pumpkreis abgebildet, der aus

Strom steuert, der in Kompensationswicklungen fließt, einem Generator 116 und Wicklungen 118 und 118' die ein Feld parallel zur Vorzugsachse erzeugen, und besteht, sowie ein Fühlkreis, der Wicklungen 114 und der es auf einen solchen Wert einregelt, daß das Signal 114' und einen Verstärker 124 hat. Null wird. Das Kompensationsfeld ist daher gleich 35 Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat für ihre dem zu messenden Feld auf der Vorzugsachse, ein verschiedenen Ausführungsarten zahlreiche Vorteile Feld, das man aus der Stromstärke ableiten kann. gegenüber den bekannten Vorrichtungen. Mit der Das Höchstfeld, das man messen kann, ist daher nur erfindungsgemäßen Vorrichtung können sehr genau durch die Stabilität des Kompensationsfeldes be· schwache Felder gemessen werden, insbesondere mit schränkt. Es muß jedoch noch das senkrechte Feld 60 einer Feldstärke von 10» bis 0,1 y. Dieser Vorteil, der berücksichtigt werden, um ein Verlassen der Arbeits- dem sehr geringen Gewicht und Volumen der Sonde zone zu vermeiden. Ein zusätzlicher Vorteil dieser zuzuschreiben ist, macht die erfindungsgemäße VorVorrichtung liegt jedoch darin, daß die Empfindlich- richtung besonders gut für die Verwendung in einem keitsschwankungen infolge Änderungen des Felds auf Satelliten geeignet. Ihre Richtwirkung erlaubt außerder Nichtvorzugsachse ziemlich unwichtig sind, da es 6s dem bei Verwendung von drei Köpfen die Benutzung «ich um ein Verfahren jmt Auffindung des NulUignats· der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur genauen hundcl». Messung eines Richtunp&winkci» relativ ju den

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung schwacher Magnetfelder, mit einem ferromagnetischen Dünnschichtfilm, auf den das zu messende Magnetfeld einwirkt, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines symmetrischen, periodischen Wechselpumpfelds, das parallel zur Magnetisierungsvorzugsachse des Dünnschichtfilms ausgerichtet ist, mit einer um den Dünnschichtfilm gewickelten Fühlwicklung und mit einer Untersuchungseinrichtung zur Untersuchung der von der Fühlwicklung empfangenen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschichtfilm (12; 112) vom Inversionstyp ist und daß die Fühlwicklung (8; 118) mit ihrer Achse parallel zur Magnetisierungsvorzugsachse des Dünnschichtfilms liegt, so daß allein die zur Magnetisierungsvorzugsachse parallel verlaufende Komponente (ft) des Magnetfelds gemessen wird (F i g. 3; 5), »0

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen (r„ T₁₁) mißt, die die Richtungsumkehrungen der Induktion in der Schicht trennen, as und daß die Differenz die Komponente des zu messenden Felds (Λ) auf der Magnetisierungsvorzugsachse anzeigt (F i g. 4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchungseinrichtung die Amplitude eines Paares von Oberschwingungen, vorzugsweise der ersten Oberschwingungen, des in der Fühlwicklung empfangenen elektrischen Signals (^d _d^ , ^) infolge Richtungsumkehr der Induktion in der Schicht mißt, wobei die Amplitude mit der Differenz zwischen den Zeitintervallen (T₁, T₈) zunimmt, die das aufeinanderfolgende Umklappen der Magnetisierung trennen (F i g. 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Pumpfelds durch eine Wicklung (14, 14'; 114, 114') gebildet ist, die durch einen Generator (16: 116) für periodischen Wechselstrom versorgt ist, der ein Magnetfeld erzeugt, von dem mindestens eine Komponente parallel zur Vorzugsachse der Schicht (12, 1.2'; 112, 112') verläuft (F i g. 3; 5).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20, 20'; 22) zur Einwirkung eines Polarisationsfelds (//,,) senkrecht zur Magnetisierungsvorzugsachse auf die Schicht (12,12' in Fig. 3).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfeld {H_p) entlang der Nichtvorzugsachse der Magnetisierung der Schicht (12, 12') [senkrecht zur Vorzugsachse] gerichtet und ein Gleichfeld ist, dessen Feldstärke größenordnungsmäßig gleich der Amplitude des Pumpfelds ist (F i g. 3).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht ein dünnes Plättchen ist, daß das Polarisationsfeld auf der Nichtvorzugsachse der Magnetisierung der Schicht ein Wechselfeld und durch die Komponente auf der Nichtvorzugsachse eines Wechselfelds gebildet ist, dessen Komponente auf der Vorzugsachse das Pumpfeld bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselfeld durch eine Wicklung erzeugt wird, die einen Winkel von 30 bis 60° mit der Vorzugsachse einschließt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dünne ferromagnetische Schichten (12, 12'; 112, 112') mit ihren Vorzugsachsen parallel angeordnet sind, daß die Pumpwicklungen (14, 14'; 114, 114') und Fühlwicklungen (18, 18'; 118, 118') auf der einen Schicht in gleichem Wicklungssinn und auf der anderen in entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt sind und daß die beiden Fühlwicklungen reihengeschaltet und an eine Kette (24, 26, 28; 124) zur Messung der Amplitude eines Paars von Oberschwingungen (2/) der Pumpfrequenz (/) ange schlossen sind (F i g. 3; 5).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen