Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ МОГНІТООПТИЧНОЇ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Телекомунікації
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Практика
Предмет:
Радіоелектроніка
Група:
МНП
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ІНСТИТУТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ, РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ
З В І Т
З переддипломної практики
На тему:
“МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМИ МОГНІТООПТИЧНОЇ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ”
Зміст
1). Особливості вирощування ферогранатових шарів методом рідинно-фазної епітаксії (РФЕ)
2). Діаграма фазового стану системи розчину-розплаву та мольні співвідношення Бленка-Нільсена
3). Особливості вирощування Bi-заміщених ЕПФГ
4). Магнітооптична візуалізація магнітних неоднорідностей
5). Аналіз ефективності магнітооптичного візуалізатора магнітних неоднорідностей
Особливості вирощування ферогранатових шарів методом
рідинно-фазної епітаксії (РФЕ)
Спроби одержання ЕПФГ високої структурної досконалості з контрольованими та відтворюваними параметрами здійснюються різними методами – газотранспортною ептаксією, гідротермальною епітаксією, магнетронним розпиленням, хімічним транспортом та рідинно-фазною епітаксією. Однак з часом з’ясувалося, що для виробництва матеріалів на основі ЕПФГ для потреб електронної техніки найбільш придатний метод РФЕ. Метод РФЕ для вирощування шарів ферогранатів в сучасному його виді був вперше застосований в 1971 р . Для одержання матеріалів для пристроїв на ЦМД. Далі він досліджувався і розвивався саме в руслі цієї проблеми. Автори застосували ізотермічні умови епітаксійного росту нагоризонтально занурену підкладку немагнітного гранату, що обертається у своїй площині, з перенасиченого за рахунок переохолодження рожчину гранатоутворюючих компонент в розплаві розчинника PbO-B O. Для одержання стійкого по відношенню до спонтанної кристалізації розчин-розплаву, він гомогенізується на протязі від кількох до 12 годин при температурі, вищій від температури насичення. Далі повільно охолоджується до температури росту , що нижча від температури насичення, як правило, на кілька десятків градусів. При зануренні підкладки, що аксіально обертається, відбувається епітіксійне нарощення шару з типовими швидкостями від десятих кількох мікрон за хвилину. Після нарощування підкладка виймається з розчин-розплаву і краплі, що залишились на ній, штрушуються швидким обертанням . Після остигання залишки розчин-розплаву усуваються хімічним розчиненням . З незначними модифікаціями це метод застосовується й зараз, залишаючись практично безальтернативним для вирощування структурно досконалих шарів ферогранатів, товщиною від долей мікрона до сотень мікрон, на підкладках діаметром до 76,2 мм
Діаграма фазового стану системи розчину-розплаву та мольні співвідношення Бленка-Нільсена
При вирощуванні ЕПФГ методом РФЕ необхідно забезпечити кристалізацію саме ферогранатової фази. У розчин-розплаві існує суміш оксидів, це, щонайменше, три компоненти - FeO3, Ln2O3, Pb2O3 (де Ln = P3M або Y), які в залежності від умов фазової рівноваги, можуть утворювати, щонайменше чотири сполуки – ферогранат Ln3Fe5O12, ортоферит LnFeO3, гематит Fe2O3 та магнетоплюмбіт PbFe12O19. Тому ключовим моментом у РФЕ ферогранатів є знання фазової діаграми системи розчин-розплав. При одержанні заміщених ЕПФГ або використанні модифікованих розчинників, ситуація діаграма фазових станів суттєво ускладнюється. На практиці використовується спрощена модель псевдопотрійної діаграми стану розчинник – Fe2O3-Ln2O3 [7] (розчинник-Fe2O3-гранат [8] ), або псевдобінарна діаграма розчинник-гранат [7]. Області кристалізації різних фаз визначаються мольними співвідношеннями компонентів системи. Традиційно користуються мольними співвідношеннями (R-коефіцієнтами), введеними Бленком і Нільсеном [6] і пізніше модифіковані для вирощування ЕПФГ з гетеровалентними заміщенням в атомні коефіцієнти [3, 4].
Переважно для ферогранатів використовують R1=12...29. При зміщенні з області кристалізації ферогранату в сторону ортофериту в плівці можуть виникати включення фази ортофериту. Зсув в область кристалізації магнетоплюмбіту приводить до кристалізації пластинчатих мікрокристалів у розплаві і тенденції осідання їх на поверхні плівки. Захоплення фази магнетоплюмбіту в плівку не відбувається [3].
Величина мольного коефіцієнту R2 визначає ступінь діамагнітного заміщення у підгратцізаліза. Крім того, коефіцієнт R2 опосередковано може впливати на кристалізацію сторонніх фаз, оскільки введення, наприклад, Gа в розплав розширює область кристалізації ферогранату [2]. Зменшення коефіцієнта R3
Підвищує стійкість розчин-розплаву до сонтанної кристалізації, оскільки введення оксиду бору в розчин-розплав зміщує границю утворення ортофериту, розширяючи область кристалізації ферогранату, а також
приводить до зниження втрат свинцю на випарування і, тим самим, до зменшення корозії платинової оснастки [4]. Однак надмірне зменшення R3 приводить до підвищення в’язкості розчин-розплаву та утруднює усунення його залишків на поверхні плівки після росту . Величина R4 визначає температуру насичення розчину в розплаві і є одним з найважливіших параметрів РФЕ, визначаючи на практиці можливість керування процесом через ступінь проходження та швидкість кристалізації.
Недоліки системи розчинника на основі PbO (значна агресивність при високих температурах як до платинової, так і до керамічної оснастки, швидше випаруванням і токсичність, входження у склад гранатових плівок, яке у більшості випадків погіршує їх властивості і, тому, небажане ) привело до пошуку інших (безсвинцевих) розчинників для використання в РФЕ ферогранатів [3]. Огляд результатів використання альтернативних розчинних систем приведений в [3, 5]. Розчинник на основі BaO-B2O3 володіє меншою летючістю, більшою розчиняючою здатністю, а також характеризується меншим входженням компонент розчинника (Ba) у ферогранат. Однак цей розчинник має вищу в’язкість, що утруднює його використання. Розчинники на основі молібдатів –малолетючі, мають низьку в’язкість і не демонструють забруднення плівок, однак мала розчинність ферогранатів у них обмежує їх використання лише для малих швидкостей росту, а також вимагає використання великих наважок тиглів, або підживлення розчин-розплав гранатоутворюючими компонентами. Розчинники на основі окису вісмуту (Bi2O3-MO2, де M=Si, Ge, Ti, Ce) досліджувалися з метою отримання Bi-заміщених ЕФГП для магнітооптичних пристроїв. Вони володіють меншою розчиняючою здатністю по відношенню до ферогранатів у порівнянні з свинцевим розчинником і дещо більшою в’язкістю. Стабілізуючі добавки (Si, Ge, Ti, Ce) Мало забруднюють епітаксійний шар. До недоліків цих розчинників слід віднести підвищену адгезію до поверхні плівки, що утруднює усунення крапель розплаву і приводить як до особливих дефектів „післяросту ”, так і до появи мікротріщин і навіть руйнування ЕФГП після остигання плівки з краплями, що залишилися на ній, внаслідок суттєвої різниці температурних коефіцієнтів розширення розчин-розплаву і ферогранату. Ще одним недоліком є значна корозія платинової оснастки, що приводить до скорочення строку її експлуатації. В цілому, як відмічається в [5] вирощувати Bi-заміщені ферогранати з вісмутового розчинника важче, ніж з розчинника системи PbO-Bi2O3-B2O3.
Особливості вирощування Bi-заміщених ЕПФГ
Введення вісмуту в розчин-розплав з метою одержання Bi-заміщених ферогранатів додає ряд особливостей у процес їх вирощування. Діаграма стану системи Bi2O3-Fe2O3-Y2O3(Lu2O3)-PbO досліджувалися в [8,9]. Bi розширює область кристалізації ферогранату в сторону зміщення границі фази ортофериту.Додавання галію приводить до ще більшого розширення області кристалізації гранату, так що стає можливим вирощування ЕПФГ з розчин-розплаву з стехіометричним співвідношенням гранатоутворюючих компонент.При заміні Y на Lu відбувається звуження області кристалізації. Встановлено, що для системи Bi2O3-Fe2O3- Lu2O3-PbO існує область метастабільної гранатової фази, коли при наявності ізоморфної структури підкладки кристалізується гранат, а при її відсутності-інші фази. Введення бору приводить до підвищення стійкості розчин-розплаву відносно спонтанної кристалізації. В результаті вдається досягти переохолодження розплаву до 130◦, і при понижених температурах росту отримати вміст Bi в ЕПФГ до 2 на формульну одиницю. Особливості системи розчин-розплаву, що містить значну концентрацію Bi, їх нестаціонарна поведінка в переохолодженому стані [9], що свідчить про метастабільний стан системи. Це проявляється у значному (у 8 10 разів ) зниження швидкості росту епітаксійного шару у перші 3-4 години після зниження темперетури до температури росту. При цьому відтворюваність властивостей ЕПФГ стає поганою. Іншим наслідком часової деградації розчин розплаву є додаткові труднощі в отриманні товстих (> 20 мкм) шарів ЕПФГ. В якості можливої причини цього явища автори[10] називають процеси комплексоутворення,що приводять до змін в структурі розчин-розплаву, причому Bi відіграє роль каталізатора цих процесів.
Магнітооптична візуалізація магнітних неоднорідностей
Можливість візуалізації магнітних полів розсіяння на поверхні носія магнітного запису була продемонстрована [11, 12]. Неоднорідність вертикальної до поверхні носія інформації складової магнітного поля завдяки ефекту Фарадея та системі поляризатор-аналізатор, перетворювалася в оптичний контраст. Історично магнітооптична візуалізація використовувала Bi-заміщені ЕПФГ з одновісною анізотропією. Теоретичні основи кількісного визначення величини візуалізованих полів були розроблені в [12]. Суть фізичної задачі при цьому зводиться до визначення розподілу магнітного поля по конфігурації доменної структури. Для задач візуалізації індикаторні шари повинні володіти великим фарадеївським обертанням та малим оптичним поглинанням. Крім того,до основних вимог до активного середовища магнітооптичного візуалізатора слід віднести високу однорідність магнітних параметрів (варіації по площі індикаторної структури не повинні перевищувати 1% ). Магнітооптична візуалізація дозволяє також здійснити експертизу магнітного запису, на цінних паперах, банкнотах кредитних картках, запису „чорного ящика” [13] у таких випадках, коли звичайні засоби зчитування не помагають встановити аутентичність. Цей спосіб дозволяє також здійснити неруйнкючий контроль дефектності металевих виробів шляхом візуалізації вихрових струмів Фуко,збуджених індукційним способом.
Вимоги до активних середовищ для магнітооптичної візуалізації
Магнітооптична візуалізація (МОВ) просторового розподілу магнітних полів довела свою ефективність у багатьох сферах людської діяльності. Особливості конкретного застосування диктують комплекс вимог до активного середовища, зокрема по діапазону магнітних полів, які будуть візуалізуватися, по робочій температурі чи діапазону температур. Конкретні задачі візуалізації висувають вимоги по оптимізації оптичного контрасту чи оптичної ефективності, а також рівню оптичного сигналу, спектральній області реєстрації візуалізованого зображення. Перераховані параметри МОВ складають лише основні вимоги до індикаторного шару. Причому вони є суперечливі між і принципово неможуть бути задоволені одночасно. Для досягнення відносного оптимуму в конкретних задачах візуалізації слід перш за все провести аналіз взаємозв’язку параметрів візуалізації та властивостей ідикаторного шару для з’ясування принципових обмежень оптимізації в конкретних випадках і взаємозв’язку між характеристиками МОВ.
Для візуалізації у більшості випадках використовується схема спостереження, зображена на рисунку
1-джерело світла;
2-поляризатор;
3-напівпрозоре дзеркало;
4-підкладка епітаксійної ферогранатової структури;
5-індикаторний шар (ЕПФГ);
6-дзеркало;
7-досліджувана поверхня;
8-аналізатор;
9-фотоприймач;
Кут обертання площини поляризації світла завдяки ефекту Фарадея в активному середовищі є пропорційний складовій намагніченості середовища в напрямку розповсюдження світла. Тому при проходженні світла через епітаксійний шар і зворотньому проходженні через нього після відбивання від дзеркала, фарадеївське обертання подвоюється.
Оптичний контраст в полі візуалізації створюється, по суті, неоднорідністю нормальної складової магнітного поля в індикаторній плівці. Саме цю криву намагнічування індикаторної ЕПФГ слід вважати перехідною характеристикою перетворювача.
Епітаксій ні гранатові плівки леговані Ві, є найбільш перспективними активним середовищем для МОВ таких застосувань, завдяки своїй високій магнітооптичній (МО) активності та відносній прозорості у видимій області спектру. Історично перші гранатові плівки, використані для МОВ застосувань, володіли великою додатною одновісною магнітною анізотропією, що викликало перпендикулярну орієнтацію осі легкого намагнічування. Це обумовлює виникнення лабіринтної доменної структури відкритого (за Ландау-Ліфшицом) типу з напрямком намагніченості в доменах вгору і вниз відносно поверхні плівки. Причому доменна структура існує практично в усьому діапазоні магнітних полів, де відбувається візуалізація.
Рівноважний стан намагніченості в магнітному тілі визначається мінімумом вільної енергії, яка є сумою енергій різних взаємодій, в тому числі й магніто статичною , яка залежить від форми зразка та розподілу намагніченості в ньому. Тому , локальний стан намагніченості в загальному випадку залежить від стану намагніченості в інших ділянках. З цього випливає перша вимога до індикаторного шару: його планарні розміри повинні бути достатньо великими у порівнянні з характерними розмірами доменів та неоднорідностей , що візуалізуються . Переважно ця вимога виконується.
Просторова неоднорідність поля розсіяння , яку повинен відобразити індикаторний шар, при його наявності буде спотворена , оскільки всередині індикаторного шару індукція магнітного поля визначається також властивостями шару ЕПФГ. Для зменшення спотворень магнітна проникливість ідеального індикаторного шару повинна бути рівна магнітній проникності повітря не лише в нормальному до поверхні напрямку , але й площині плівки .
При використанні одновісних ЕПФГ, в яких наявна лабіринтна доменна стуктура (чи смугоподібна, чи гратка ЦМД ), магнітна проникність в площині плівки є мала, оскільки напрямки в плівці є осями важкого намагнічування . Інтегральна початкова магнітна проникність в нормальному напрямку є теж близька до одиниці, однак локальний стан намагніченості є практично бістабільний, в силу характеру розташування легкої осі . Таким чином , локальний стан намагніченості в плівці визначається не лише локальним полем а, в значній мірі , рівноважним положенням між доменних границь. Це приводить до того, що при МОВ за допомогою одновісних ЕПФГ спостерігається не оптичний контраст візуалізованого поля, а перерозподіл конфігурації доменів при взаємодії з полем розсіяння поверхні, що досліджується . Слід наголосити, що одержане зображення, строго кажучи, не є візуалізованим розподілом просторових магнітних неоднорідностей. Просторова роздільна здатність МОВ обмежена характерними розмірами доменної структури (за оцінку приймають період доменної структури в розмагніченому стані, переважно -5мкм). Крім того,
Особливості магнітної анізотропії і процесів перемагнічування цих плівок приводять до відносно низького поля насичення, нелінійного характеру залежності сигналу відклику від прикладеного магнітного поля, а також гістерезису, що приводить до неоднозначності перехідної характеристики датчика.
Альтернативним підходом є використання магнітних шарів з магнітною анізотропією типу «легка площина » , що дає ряд переваг .Магнітна проникність у нормальному до плівки напрямку відповідає проникності форми плівки незалежно від магнітної проникності матеріалу. Оскільки фактор розмагнічування в напрямку нормалі до плівки рівний нулю, то магнітна проникність в цьому напрямку рівна проникності повітря. Крива намагнічування плівки , що характеризується лише планарною анізотропією , є лінійна без гістерезисна залежність з постійним нахилом в діапазоні полів між від’ємним та додатнім значенням поля насичення, що чисельно рівне намагніченості насичення матеріалу . Якщо напрямки легких осей утворюють площину (легку площину ) і якщо припустити, що домення структура не утворюється, то індикаторний шар є ідеальним з точки зору МОВ. Моно доменний зразок має в напрямку спонтанної намагніченості магнітну проникність парамагнітного стану.
Оскільки всі осі в площині плівки є еквівалентними, то зміна напрямку намагніченості в площині плівки відбувається дуже легко, а, головне, без будь-якого впливу на нормальну компоненту намагніченості . Тоді жодного спотворення картини полів розсіяння об’єкту не відбувається при прикладенні індикаторного шару і реалізується пряма візуалізація просторового розподілу магнітних неоднорідностей у вигляді градацій яскравості .
Отже ідеальний індикаторний шар з точки зору базових магнітних властивостей повинен мати магнітну анізотропію типу «легка площина » та бути монодоменним .Для задоволення цих вимог ЕПФГ повинна мати нульову (або малу) кубічну анізотропію, а поле одновісної анізотропії менше за анізотропію форми .:
де 4-намагніченість насичення матеріалу ЕПФГ.
Величина поля насичення моно доменної ЕПФГ у відсутності кубічної анізотропії складатиме
Тоді чутливість індикаторного шару можна представити :
,
Де =1, 2-відповідає різним індикаторним шарам, де 2=2- подвійний кут фарадеївського обертання, Ф- питоме фарадеївське обертання матеріалу ЕПФГ, а - товщина шару .Очевидно, що для застосування є важливим збільшити чутливість . Однак, для конкретного матеріалу це означає, що потрібно збільшувати товщину шару , і тим самим обмежувати просторову роздільну здатність, або намагатися для таких же магнітооптичних характеристик шару зменшувати поле насичення, що обмежує роздільну здатність по магнітному полю (польову роздільну здатність) Для візуалізації в області в полів 0… краще використовувати індикаторний шар , характеристика якого позначена цифрою 1 (зображено на рисунку)
,
Але візуалізувати поля, вищі за ,
Цією плівкою не вдасться. З цього слідує, що поле насичення плівки не повинно суттєво перевищувати того діапазону магнітних полів, в якому передбачається проводити візуалізацію , а питоме фарадеївське обертання повинно бути максимальним.
Максимізація чутливості індикаторного шару з точки зору магнітних властивостей матеріалу означає максимізацію величини
,а з врахуванням залежності фарадеївського обертання та сумарної намагніченості від намагніченостей підграток Знаючи як залежить фарадеївське обертання намагніченості підграток та константа одновісної анізотропії від складу ЕПФГ(концентрації заміщень), можна звести оптимізацію чутливості до математичної задачі. Оптимізація, однак, ускладнюється тим, що намагніченості підграток та константа анізотропії залежить від температури,а магнітооптичні коефіцієнти є спектрально залежні. Тому про оптимізацію слід говорити з урахуванням робочої температури, при якій відбувається візуалізація (наприклад, при температурі рідкого азоту для задач контролю ВТНП матеріалів), а також у певній спектральній області, вибір якої слід проводити з врахуванням особливостей оптичної схеми реєстрації.
Аналіз ефективності магнітооптичного візуалізатора магнітних неоднорідностей
Різного типу пристроям (затвору, модулятору, дефлектору ) відповідають дещо різні оптимальні співвідношення між параметрами активного середовища . Причому ключовим параметром є не фарадеївське обертання , а магнітооптична добротність матеріалу ( , де - оптичне поглинання ). Аналіз ефективності використання ЕПФГ з площинною магнітною анізотропією у МОВ раніше не проводився . Тому цей підрозділ присвячений аналізу оптичного контрасту та оптичної ефективності системи МОВ основі плівки з площинною магнітною анізотропією типу «легка площина» та кількісній оцінці цих параметрів для візуалізатора з типовою оптичною системою та епітаксійною плівкою в якості активного середовища. Інтенсивність світла, що пройшла через магнітооптичну (МО) систему, нехтуючи втратами при відбиванні та інтерференцією, може бути представлена виразом :
,
Де коефіцієнт с описує загальні втрати в оптичній системі;
-коефіцієнт поглинання в активному середовищі плівки ;- товщина плівки; параметр враховує скінченне пропускання в системі із схрещеним поляризатором і аналізатором; - кут між напрямками поляризації в поляризаторі та аналізаторі ; а - кут фарадеївського повороту в МО плівці при прикладенні магнітного поля за і проти напрямку поширення світла.
Аналіз відомих МО систем таких, як модулятор світла, оптичний затвор та дефлектор полягає у визначенні таких параметрів активного середовища плівки, які відповідають найвищій оптичній ефективності
, де та - інтенсивності вихідного променя при двох напрямках поля . Максимізація оптичної ефективності по параметру з використанням наведеної вище формули приводить до умови . Максимізація по відношенню до товщини плівки приводить до поняття оптимальної товщини, яка при рівна , де Ф питоме фарадеївське повертання, а - МО добротність (). Умова використовується в ОМ модулятора світла. Для МО затвора розворот осей поляризатора та аналізатора в нульовому полі вибирається рівним і наступна максимізація приводить до оптимальної товщини .
При аналізі МО візуалізаційної системи слід врахувати обставини, які відрізняють її від інших МО пристроїв.
1)Якщо ферогранатова плівка з анізотропією типу « легка площина» використовується для МОВ, зовнішнє магнітне поле змінюється від нуля до значення , при якому фарадеївське обертання досягає насичення. Тоді діапазон зміни кута є 0…, а не ….
2) Оскільки після відбиття від дзеркала загальний кут повороту площини поляризації подвоюється, то сумарне фарадеївське обертання в плівці, намагніченій до насичення , буде
3) Реальна МО візуалізіційна система містить індикаторну плівку певної товщини, яку слід оптимізувати , враховуючи просторову роздільну здатність візуалізації магнітних неоднорідностей, а не лише оптичну ефективність чи кнтраст . Просторова роздільна здатність, необхідна для вирішення конкретних задач ізуалізації , може змінюватись в широких межах. В якості грубої її оцінки може служити товщина індикаторної плівки.
Список використаної літератури
1).Убізський С. Б. Аналіз ефективності магнітооптичного візуалізатора // Вісник ДУ „Львівська політехніка”, Сер. Електроніка-1999.-№ 382.-с.38-49
2). Убізський С. Б. Феромодуляційний перетворювач магнітного поля на основі епітаксійної плівки ферогранату // Вісник ДУ „Львівська політехніка”, Сер. Електроніка-2001
3).Ubizskii S.B., Matkovskii A.O.,Mironova-Ulmane N.,Displacement defects formation in complex oxide crustals under irradiation // Phus. Stat. Sol.(A).-2000.-v. 177.-p. 349-366
4)Яковлев Ю.М., Генделев С.М. Монокристаллы ферритов в радиоелектронике.-М.:Сов.радио, 1975.-360 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора