Автоматическая установка для измерения экваториальных эффектов в проходящем и отраженном свете

 

Описываемая в этом параграфе установка разрабатывалась специально для обнаружения исследования основных характерных особенностей экваториального - эффекта в проходящем свете. При ее конструирований предусматривалась возможность регистрации и других известных нечетных эффектов как в прошедшем, так и в отраженном свете. Задача изучения частотной дисперсии эффектов при создании этой установки не ставилась.

Измерение - эффекта сводится к регистрации нечетного по намагничиванию образца относительного приращения интенсивности света , прошедшего через экваториально намагниченную пленку ферромагнитного металла, при разных углах падения. Коэффициент пропускания исследуемых пленок варьировался в пределах от 0,2% до 10%..

Для решения этой задачи была выбрана наиболее чувствительная схема измерений с динамическим режимов перемагничивания образца (рис. 9). В качестве источника света взят гелии-неоновый лазер ЛГ-75 (1) с мощностью непрерывного излучения 15 мВт, использование которого значительно упрощает оптическую схему установки и в какой-то степени компенсирует отрицательный фактор большого поглощения пленки. Дня увеличения стабильности излучения емкость фильтра комбинированного выпрямителя в блоке питания лазера ЩФ 3.976.005 была увеличена в десять раз. С целью подавления пульсаций интенсивности падающего на образец излучения, между лазером и поляризационной призмой Глана (4) установлен электрооптический кристалл KDP (2), образующий вместе с ними электрооптическую модулирующую ячейку [5], работающую на продольном нечетном эффекте Поккельса. Зависимость относительной интенсивности света на выходе этой ячейки от напряжения на электродах кристалла KDP представлена на вставке рис.9 для двух случаев: а - плоскость поляризации поляризатора (4) параллельна плоскости поляризации лазера, б - плоскости поляризации скрещены. Аналитически эти случаи описываются выражениями

а) J = , б) J = ,

где - интенсивность падающего света, θ - пропорциональная напряжению на электродах разность фаз, возникающая в кристалле KDP. Эти случаи соответствуют используемым в измерениях S - и P - поляризациям падающего на образец излучения. Ячейка Поккельса включена в цепь отрицательной обратной связи по пульсациям интенсивности выходящего из нее света. Для этого напряжение на электродах кристалла KDP регулируется о помощью дифференциального усилителя в соответствии с изменением фототока приемника излучения (7), который оптически связан гибким волоконным световодом (6) с делительным кубиком (5). Делительный кубик, в свою очередь, жестко связан с поляризатором (вращается вместе с ним) и ориентирован таким образом, что плоскость падения отщепленного луча и плоскость поляризации совпадают.

 

 

Рис.9. Блок-схема оптической части магнитооптической установки

 

Модулирующая ячейка выводится на рабочую точку (на графике рабочая точка соответствует величине U = ) с помощью фазовой пластинки (3), которая устанавливается между кристаллом KDP и поляризатором. Использование пластинки избавляет от необходимости подавать на электроды напряжение смещения ~ 4 кв. При смене поляризации S P (и наоборот) необходимо изменить полярность управляющих электродов кристалл KDP для того, чтобы величина dJ/dU не изменила свой знак. Глубина амплитудной модуляции света используемой нами ячейки Поккельса равна , где U - модулирующее напряжение в вольтах. Коэффициент подавления пульсаций интенсивности лазерного излучения указанным способом составил около 50 дб в полосе частот 0,5 - 10³ Гц.

Далее по ходу луча на столике гониометра Г- 5 (10) установлен электромагнит (8) е закрепленным между его полюсами образцом (9) - тонкой пленкой (25 -110 нм) ферромагнитного металла, напыленной на стеклянную подложку. Электромагнит ориентирован таким образом, что направление магнитного поля в его рабочем зазоре совпадает с осью вращения столика и перпендикулярно плоскости падения света на образец (экваториальное намагничивание). Обмотки электромагнита питаются от регулируемого стабилизатор тока через коммутирующее устройство, которое изменяет направление тока в обмотках с частотой 25 Гц. Величина максимального поля в зазоре электромагнита достигает 55 ,что обеспечивает намагничивание образцов до насыщения с большим запасом.

На алидаде - подвижной части гониометра - установлен фото - приемник - кремниевый, фотодиод ФД-9К (12), включенным в фотовольтаическом режиме. Такой режим включения фотодиода, с характерной для него высокой линейностью люкс-амперной характеристики в широком интервале освещенностей, является наиболее оптимальным при измерениях малых приращений интенсивности излучения, величина которого сильно меняется в процессе измерений (например, из-за сильной угловой зависимости коэффициента пропускания).

В оптической схеме предусмотрена установка на алидаде второй поляризационной призмы Глана (11), которая служит анализатором для определения характера поляризации как падающего (при убранном образце), так и прошедшего через образец или отраженного им излучения. Анализатор необходим также для определения эффектов вращения плоскости поляризации, имеющих место при нарушении условий экваториального намагничивания. Критерием отсутствия эффектов вращения плоскости поляризации может служить совпадение результатов измерений без анализатора и с анализатором с произвольным азимутом. Расположение анализатора и фотоприемника на алидаде гониометра позволяет регистрировать магнитооптические эффекты не только в проходящем свете, но и при его отражении (например и эффекты).

Рассмотрим блок-схему электронной части установки (рис.10). В качестве опорной рабочей частоты взята частота 25 Гц, синхронная с частотой сети , т.е. = 2 . Такой выбор обусловлен принятой в схеме обработки сигнала фильтрацией с помощью ключевого синхронного интегратора (СИ) [39], который, являясь гребенчатым режекторным фильтром для четных гармоник рабочей частоты, особо эффективно подавляет, следовательно, сигналы сетевой частоты и всех ее гармоник.

Рис. 10. Блок-схема электронной части магнитооптической установки

Система формирования импульсов для управления коммутатором тока и ключами синхронных устройств выделения и обработки магнитооптического сигнала состоит из нескольких элементов. Сетевой фильтр выделяет чистый синусоидальный сигнал частоты сети – исходный, базовый сигнал для формирования управляющих импульсных сигналов. Такая фильтрация необходима, т.к. сигнал, взятый непосредственно из сети, содержит, как правило, большое количество искажений импульсного характера, что может привести к сбоям управляющих импульсов. Нуль - компаратор преобразует синусоидальный сигнал в меандр той же частоты. Два нуль - компаратора включены в канале коммутатора тока и в канале обработки сигнала. Фазовращатель позволяет подстраивать фазу коммутации ключей СИ и синхронного модулятора СД относительно фазы магнитооптического сигнала. Делитель частоты формирует два противофазных управляющих меандра с амплитудой 15 В, частотой 25 Гц. Формирователь строб импульсов вырабатывает импульсы управления ключом строб - отсекателя, который обеспечивает "очистку” магнитооптического сигнала от переходных процессов, возникающих при переключении тока электромагнита.

Коммутатор тока электромагнита представляет собой четыре транзисторных ключа (КТ 818, КТ 819), которые образуют мост. К диагоналям этого моста подключены источник питания TЕС-14 в режиме стабилизации тока и обмотка электромагнита. Управление ключами производится от делителя частоты, через диодные оптроны АОД – 109. Предусмотрена возможность задания фазы коммутации тока (+, -) относительно фазы коммутации ключей обработки с помощью внешнего логического сигнала (0,1).

Фотоприемное устройство (ФПУ) (на рис. 9 блок 12) выполнено в виде преобразователя ток -напряжение, в котором генератором тока (фототока) является кремниевый фотодиод, а операционный усилитель (К 153 УД 5) - преобразователем этого тока в напряжение [40]. Далее сигнал с ФПУ делится на переменную и постоянную составляющие. Постоянная составляющая получается после интегрирования сигнала ФПУ, а переменная поступает с выхода ФПУ на масштабный усилитель (К = 10³) через разделительный конденсатор.

Импульсный режим перемагничивания образца приводит к определенным особенностям обработки магнитооптического сигнала (МО). На рис. 11 представлены временные развертки ряда характерных сигналов. При коммутации тока электромагнита вследствие значительной индуктивности его обмоток (~20 мгн) импульсы тока имеют заваленные передние фронты (рис. 11а). Длительность этих фронтов ~8 мс, после чего ток в течении ~12 мс не меняется (до следующей коммутации). Подобную форму (с поправкой на кривую намагничивания образца и амплитуду магнитного поля) имеет магнитооптический сигнал (рис, 116). Длительность переходного процесса в МО сигнале может быть только меньше, нежели в токовом сигнале. Определение амплитуды МО сигнала можно осуществить путем стробирования его установившейся части. Для этого с помощью строб импульсов (рис. 11в), управляющих ключом строб отсекателя (СО), в момента времени, соответствующие переходным процессам, магнитооптический сигнал привязывается к пулю (рис, 11 г). Формирователь строб импульсов состоит из двух последовательно включенных ждущих мультивибраторов, первый из которых запускается передним фронтом меандра на частоте 50 Гц. Подбором величин постоянных времени ждущих мультивибраторов выбираются соответствующе фаза и длительность строб импульса. После синхронного интегрирования этого "очищенного" сигнала, получаем (рис. 11д) меандр частотой 25 Гц с амплитудой в раз меньшей амплитуды МО сигнала, что учитывается при нахождении отношения . Далее сигнальный меандр синхронным ключевым демодулятором преобразуется в постоянное напряжение, величина которого равна амплитуде меандра.

 

Рис. 11. Временные развертки сигналов магнитооптической установки

 

Сигналы постоянного тога с выходов СД и интегратора, соответствующие величинам ΔJ и J, с помощью ключей опроса последовательно подаются на вход цифрового вольтметра Щ 1413, который преобразует их в цифровой вид. «Оцифрованный» сигнал ΔJ (или J в зависимости от «положения» ключей опроса) вводится в соответствующие ячейки памяти мини - ЭВМ ДЗ-28, где производится последовательное накопление выборки {ΔJ, J}± (для данной фазы поля), после чего находится отношение среднее по всей выборке для данной фазы поля. Управление ключами опроса производится машиной ДЗ-28 через устройство связи с объектом (УСО) по заложенной в нее программе. В этой же программе имеется операция смены фазы коммутационного тока электромагнита (смена фазы поля), которая осуществляется с помощью логического сигнала TTЛ уровня, подаваемого на вход коммутатора тока с УСО.

Определяемая величина ΔJ/J находится при усреднении по нескольким парам различных фаз магнитного поля величин.

Инверсия фазы поля при неизменной фазе коммутации ключей СИ и СД приводит к смене знака регистрируемого МО эффекта, тогда как синхронные наводочные сигналы (например, от коммутационных сигналов ключей СИ и СД) остаются без изменений. При усреднении по двум противоположным фазам поля наводки такого типа уничтожаются. Нечетная наводка от рассеянного магнитного поля, которая такой процедурой не устраняется, оценивается отдельно при контрольных измерениях без образца.

Результаты измерений с оценкой погрешности измерений выдаются из памяти машины ДЗ -38 на электрическую печатающую машинку «Consul 256».

Стандартный разброс средних значений ΔJ/J при повторных измерениях в одинаковых условиях составил величину ~1-2 ∙10^-7. Время полного цикла измерении при этом составляло приблизительно 15-20 мин.

 

 

3. ГИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭКВАТОРИАЛЬНЫЙ - ЭФФЕКТ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: