Создание сильных стационарных магнитных полей и исследование неоднородных магнетиков в сильных магнитных полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Г8 ОД РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

¡¡К 15.9*

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

На правах рукописи

ХРУСТ АЛЕВ Борис Петрович

ЮЗДАНИЕ СИЛЬНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ МАГНЕТИКОВ В СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

Специальность 01.04.11 - Физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Екатеринбург 1994

Работа выполнена в Сибирского отделения РАН

Институте физики им.Л.В.Киренского

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ермаков А.Е.

Институт физики металлов УрО РАН, г.Екатеринбург

доктор физико-математических наук, профессор Звездин А.К. Институт общей физики РАН, г.Москва

доктор физико-математических наук, профессор Иванов O.A. Уральский госуниверситет, г.Екатеринбург

Ведущая организация: Институт сверхпроводимости и

физики твердого тела Российского научного центра "Курчатовский институт", г.Москва

Защита состоится _ 1994 г. в "_

часов на заседании специализированного совета Д 002.03.01 пр

Институте физики металлов УрО РАН (620219, Екатеринбур: ГСП-170, ул.С.Ковалевской, 18).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек Института физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан fdf- ^УЯ/Ьт&г 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наукп

/^//б^О.Д.Шашков

Актуальность тели. В экспериментальной физике часто существенное продвижение вперед бывает связано с созданием крупных исследовательских установок. В физике магнитных явлений к таким установкам можно отнести установки для создания сильных магнитных полей.

Созданию сильных стационарных магнитных полей и исследованию неоднородных магнетиков в таких полях как раз и посвящена данная диссертация.

Если под сильными стационарными магнитными полями понимать, поля, практически недостижимые с помощью электромагнитов с ферромагнитными сердечниками, то можно считать, что их история начинается с запуска в 1939 г. Ф. Биттером (США) водохлаждаемого соленоида на 10 Тл. Однако, несмотря на значительные усилия, затрачиваемые исследователями специально созданных в технически развитых странах магнитных центров, прогресс в этой области идет медленно из-за колосальных трудностей как технического, так и принципиального характера. Максимальное стационарное магнитное поле, полученное к настоящему времени с помощью чисто диссипативных соленоидов, составляет ~ 25 Тл.(Г.-Ж. Шнейдер-Мунтау, Гренобль).

Дальнейший рост предельной величины генерируемого поля связан с созданием гибридных систем "сверхпроводящий соленоид -дассипативвый соленоид". Однако и в гибридных системах основной вклад в суммарное поле создается дассипативными водоохлаждаемыми соленоидами. Поэтому" работы по созданию стационарных магнитных полей безусловно актуальны.

Знасчительная часть данной диссертации посвящена именно вопросам создания сильных стационарных магнитных полей.

Другая часть диссертации посвящена экспериментальным исследовниям в сильных магнитных полях неоднородных магнетиков: аморфных и кластерных (гранулированных) ферромагнетиков (?е-5Ш), композитных ("макрокластерных") ферромагнетиков, аморфных ферримагнитных 3(1-4/ сплавов (пленки Со~1)у) и др. Исследуемые классы магнетиков представляют большой практический интерес, в частности, как среды для записи и обработки информации, покрытия с заданными свойствами и т.д. Однако зрежде всего, их исследования в сильных полях важны с точки зрания фундаментальных вопросов магнетизма, например, таких как ззаимосвязь структурного порядка (точнее - беспорядка), и

обманного взаимодействия, проблемы магнитного упорядочения и обменных взаимодействий в аморфных ферримагнетиках, внутрикластерний и межкластерный обмен в кластерных магнетиках и др.

Цель работы. Целью диссертационной работы являлась комплексная разработка методов, технологий и конкретных конструкций для создания сильных стационарных магнитных полей и исследование неоднородных магнетиков в таких полях.

Исследовние неоднородных магнетиков в сильных магнитных полях с целью выяснения влияния структуры образцов на магнитные свойства (в первую очередь - на обменные взаимодействия) - это новое направление в экспериментальной физике магнитных явлений, развитое в данной диссертации.

Научная новизна. Проведен комплексный теоретический анализ обмоток различного типа для соленоидов сильных магнитных полей. Показаны преимущества обмоток типа полигеликс для внутренних секций соленоидов на предельно большие поля.

Проведено комплексное исследование аморфных пленок металл-диэлектрик (Ре-БЮ), установлено влияние кластерной структуры таких пленок на обмен, показано, что модификация спектра спиновых волн полностью описывается флуктуациями обмена, вызванными структурной кластеризацией пленок.

Предложен и реализован способ взрывного компактирования массивных композитных (металл-диэлектрик) аморфных ферромагнетиков.

Впервые обнаружены и исследованы индуцированные сильным магнитным полем спин-переориентационные переходы в аморфных 3(3-4/ пленочных сшшвах (Со-Оу), интерпретированные как перехода в неколлинв арное состояние, определена константа мэшюдрешбточного взаимодействия.

Впервые наблвдался индуцированный сильным магнитным полем переход Фредэрикса для пленарной ориентации жидкокристалличе ских ячеек нэма тик-подложка, провэдено корректное определение энергии сцепления молекул ЖК с подложкой, измереннна температурив зависимость этой энергии, показано отсутствие размерного эффекта.

Предложен способ описания магнитных свойств гранулированных ВТСП, позволяющий описывать все характерныо особенности петли магнитного гистерезиса ВТСП в больших полях.

Из сравнения с экспериментом определены параметры модели для иттрий-лютециевых и таллиевых керамик.

Эксериментально получена полная фазовая диаграмма магнитных переходов для Хс^СиОд. из анализа которой наложены ограничения на параметры, описывающие обменные взаимодействия и анизотропию кристалла.

Пратшесная ценность работы заключается в следующем.

Развиты метода расчета и теоретического анализа обмоток различного типа для соленоидов сильных магнитных полей.

Предложена и отработана технология изготовления клееных галетных обмоток для биттеровских соленоидов и полигеликс обмоток.

Разработаны конструкции диссипативных соленоидов различного типа для генерации стационарных полей 10 + 25 Тл.

Созданы и "поставлены под эксперимент" установки сильных стационарных магнитных полей (с номинальной мощностью на соленоиде 1,5 МВт и 7,5 МВт).

Разработаны и изготовлены высокочувствительные автоматизированные вибрационные магнетометры для измерений в полях от 0 до 8,5 Тл и диапазоне температур 1,5 + 400 К.

Предложена и реализована технология взрывного компактирования объемных композитных аморфных ферромагнетиков аморфный металл-диэлектрик.

Реализовано использование сильных стационарных магнитных полей для определения обменного взаимодействия в кластерных (гранулированных) аморфных ферромагнитных пленках, мэжподрешеточного обмена в аморфных ферримагнитных Зй-4/ пленках, энергии сцепления молекул • жидкого кристалла с поверхностью подложки в пленарных жидкокристаллических ячейках, определение параметров высокотемпературных сверхпроводников.

На защиту бьноатся:

- Методы аналитического и численного анализа обмоток для генерации сильных стационарных магнитных полей, результаты анализа биттеровских обмоток с аксиальными каналами охлаждения и полигеликс обмоток.

- Технология изготовления галетных обмоток Оиттеровского типа и полигеликс обмоток.

- Конструкция соленоидов и установок для генерации сильных стационарных магнитных полей.

- Конструкция вибрационного магнетометра и системы автоматизации для измерения магнитны! и электрических свойств магнетиков в сильных магнитных полях.

- Результаты исследований аморфных кластерных пленок Ре-БШ, установленная корреляция структурных и магнитных свойств этих магнэтиков, влияние структуры на параметр обменного взаимодействия.

- Метод взрывного кошактирования композитных аморфных ферромагнетиков (частицы аморфного ферромагнетика в диэлектрической матрице) и результаты измерений их магнитных и электрических свойств.

- Обнаружение и исследование индуцированных сильным магнитным полем спин-переориентационных переходов в аморфных 3(2-4/ пленках (Со-Ду), утверждайте о возможности описания магнитных свойств этих пленок двухподрешеточной моделью ферримагнетика, определение константы машодрешеточного взаимодействия.

- Определение энергии сцепления молекул жидкого кристалла с подложкой из измерения Я-эффекта Фредерикса в сильных магнитных полях, утверждение об отсутствии размерного эффекта для энергии сцепления молекул нематика 5ЦБ с кварцэвоц подлоакой.

- Экспериментальная фазовая Н~Т диаграмма магнитных состояний Ъа^СьЮ^.

Апробация работа. Основные результаты представленных в диссертации исследований представлялись на ряде конференций, симпозиумах и семинарах различного уровня:

- Мззэдународних конференциях по магнитным технологиям ЦГ-7 (Карлшруе, 1981), Ж-8 (Гренобль, 1983), МТ-9 (Цюрих, 1985), МТ-12 (Ленинград, 1992);

- Ыэвдународаых конференциях по магнетизму, магнитным пленкам и поверхностям, магнитным матэриалам: 1БМ-73(Москва, 1973), 1БМ-85 (Сан-Франциско), 1БМ-88 (Париж, 1988), КИРБ--88 (Париж, 1988), МММ (Ванкувер, 1988), Мездународных симпозиумах по магнитным и аморфным материалам (Краков, 1983; Балатонсцешшк, 1985), 1БРММ-92 (Пекин, 1992) и др.

- Международной конференции по физике переходных металлов (Киев, 1988);

- Международной конференции по магнитоэлектронике (Красноярск-Дудинка, 1992);

- Международной и все сошной конференциях по физике взрыва и применении взрыва в эксперименте (Красноярск, 1984, 1991);

- Международных конференциях по жидким кристаллам (Краков, 1989; Канада, 1990);

- Международных конференциях по ВТСП: Интерлакен, 1988; Мэрилэнд, США (NASA, AMSAHTS'90), 1990;

- Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Пермь, 1981; Донецк, 1982; Тула, 1983; Донецк, 1985; Калинин, 1988; Ташкент, 1991);

- Всесоюзных семинарах по аморфному магнетизму (Красноярск, 1978, 1980, 1989; Владивосток, 1982; Самарканд, 1983); Всесоюзном совещании по физико-химии аморфных (стеклообразных металлических сплавов (Москва, 1985); Всесоюзнсм совещании по физике и химии редкоземельных металлов (Красноярск, 1989);

- Всесоюзных научно-технических конференциях по проблемам магнитных измерений (Ленинград, 1983; Ташкент, 1987); Всесоюзных Плаксинских чтениях, ряда конференций по физике низких температур, конференций и семинарах по ВТСП, Всесоюзных МГД-семинарах (Пермь), Всесоюзных семинарах по функциональной магнитоэлектронике (Красноярск, 1988, 1990) и др.;

- Межреспубликанских координационных совещаниях по физике магнитных явлений (Иркутск, 1982,' 1984, 1985, 1986, 1989);

Публикации- По результатам наследований опубликовано более 70 научных работ, в том числа 8 авторских свидетельств на изобретения. Перечень основных публикаций приводится в конце автореферата.

Объел и структура, работ. Диссертация изложена на 368 страницах машинописного текста, содержит 144 рисунка, 4 таблицы и список цитируемой литературы, вклшчащий 355

наименований. Работа состоит из Введения, семи глав, посвященных вопросам создания сильных стационарных магнитных полей и исследовании неоднородных магнэтиков различного типа в сильных магнитных полях, Заключения, Приложения и списка цитируемой литературы.

Во Введении, кратко формулируются основные задачи и цели исследования, дается аннотация полученных результатов и описывается структура диссертации.

В первой главе рассмотрены вопросы создания сильных стационарных магнитных полей с помощью диссипативных водоохлаадаемых соленоидов: методы расчета и теоретического анализа обмоток соленоида, техника и технология "соленоидостроения" и установок сильных полей.

Создание сильных стационарных магнитных полей обычно сводиться к проблемам создания соленоидов и систем питания и охлождения. Основные трудности при атом обусловлены тем, что потребляемая соленоидом мощность 71 и поле В связаны квадратичной зависимостью (формула Фабри) (У = ргде С - коэффициент Фабри (формфактор), определяемый геометрией обмотки и законом распределения тока в ней, X - коэффициент заполнения обмотки соленоида проводником, р - удельное сопротивление проводника, г^ - внутренний радиус обмотки. При больших полях (В > 10+15 Тл) энергозатраты расту! быстрее, тем это определяется приведенной формулой, так каг аффективное значение О падает из-за конструктивны! особенностей связанных с необходимостью повышен® технической прочностью и улучшения условий охлаждение обмотки. При внутреннем радиусе обмотки соленоида I несколько соленоидов для генерации полей В > 10 Тл требует« мощность, измеряемая мегаватами. Так, созданные нами I описываемые в конце первой. главы установки СМП-1 и СМП-; имеют номинальную мощность ~ 2 МВт и 7,5 МВт.

Используемые мощные источники питания требуют болыши затрат на их создание и эксплуатацию, поэтому одной и: основных задач является задача повышения энергетическо! аффективности соленоидов (оптимизация на максимально! значение С).

Другая проблема - проблема теплоотвода. Для отвод;

выделяющегося в обмотке тепла используются эффективные двухконтурные системы охлаждения с применением в качестве теплоносителя во внутреннем контуре вода глубокой очистки. С ■ проблемой теплоотвода связаны яэсткие требования к обмотке соленоида: ее конструкция должна обеспечивать необходимую плотность теплового потока ш3 через поверхность охлаждения обмотки.

Еще ожна важная задача при конструировании соленоидов -повышение механической прочности обмотки с тем, чтобы она могла противостоять огромным подермоторннм силам, растущим пропорционально квадрату поля.

Нетрудно видеть, что все эти проблемы взаимосвязаны.

Основным звеном любой установки сильного магнитного поля является собственно магнит - соленоид. Наибольшее распространение получили соленогцы биттеровского типа, обмотка которых набирается из отдельных проводящих и изоляционных дисков с отверстиями, образующими в обмоткэ после сборки аксиальные каналы охлаждения. Однако такая технология имеет ряд существенных недостатков. Даже при высоком уровне технологии сборки обмоток неизбежно возникающее смещение дисков приводит к формированию черезмэрной и, главное, неконтролируемой "шероховатости" стенок клапанов охлаждения, что служит причиной большого гидравлического сопротивления каналов и появления зон локального перегрева, с которых и начинается перегрев обмотки. В собранной из отдельных дисков обмотке не используются полностью прочностные свойства материала, трудоемки профилактические и ремонтные работы.

Указанные недостатки традиционной технологии в значительной степени преодалеваются разработанной и представленной в диссертации технологией набора биттеровских обмоток не из отдельных дисков, а из малого числа монолитных клееных катушек-галэт.

Каждая галета склеевается из необходимого числа проводящих и изоляционных дисков, а каналы охлаждения выполняются в уже склеенной галете.

С использованием этой технологии были изготовлены и испытаны обмотки для ряда соленоидов на 10 + 20 Тл. Большая часть работы, связанной с использованием галетных обмоток,

проведена совместно с Международной лабораторией сильных магнитных полей и низких температур (Польша, г.Вроцлав). Галетными соленоидами на II Тл и 15 Тл укомплектованы установки СМП-1 и СМП-2 Института физики СО'РАН.

В диссертации приводится краткоь изложение методики расчета биттеровских дисков, описание разработанной технологии и конструкции соленоидов с галетными биттеровскими обмотками.

Для расчета биттеровсих галет был использован метод конформных отображений. Разработанная методика расчета позволяет определить распределение плотности тока в дисках с отверстиями, сопротивление дисков, магнитное пола и коэффициент Фабри обмотки. Приемуществом развитой методики является то, что для расчета не требуется предварительного определения (в дорогостоящих экспериментах) эмпирических коэффициентов, а при расчете каналов охлаждения автоматически получается функция плотности тока, соответствухщая найденному распределению каналов охлаждения. Метод можно использовать для расчета о0моток соленоидов, собранных из проводящих пластин произвольной формы и с любой формой сечения каналов охлаждения.

Базовая технология изготовления галет включает в себя стадии:

а) Изготовление проводящих медных дисков (юлоднокатанная медь), электролитическое "утолщение" и серебрение контактных секторов дисков, химическую обработку (оксидирование) и грунтовку поверхности апоксидно-кремнийорганическим связующим под склеивание (для увеличения электрической и механической прочности клеевого шва).

б) Изготовление межвитковой изоляции на основе пропитанной апоксиднофбнольным клеем отожженной и аппретированной стеклоткани.

В диссертации приведено подробное описание этих стадий, включающее технологические карты.

в) Склеивание галет (включает сборку-шихтовку галет, и полимеризацию эпоксидно-фенольного связующего под постоянным давлением - 2 Ш1а при температуре 180°С ± 3°С в течение 10 часов).

т

г) Иготовление канала охлаждения (сверление по кондуктору с использованием специальных режимов резания), проточка по внутреннему и внешнему диаметрам до необходимых размеров.

д) Химическая обработка галет, во время которой формируется необходимая для оптимального теплосъема "шероховатость" стенок каналов охлаждения.

Вид галет на различных стадиях обработки приведен на рис. I.

Изготовленные таким образом галеты позволяет работать в форсированном тепловом режиме. В специальных экспериментах на тепловую прочность величина удельной плотности потока энергия через стенки каналов охлаждения галет достигала ш3 = 2370 Вт/см2 против значений uQ для обычных биттеровских обмоток ~ 600 + 800 Вт/см2. Галеты испытаны на стойкость к кондэромоторным силам в условиях генерации стационарных полей ~ 20 Тл, для чего внутренняя секция трехсекционного соленоида Е-200 Вроцлавской Международной лаборатории сильных магнитных полей заменялась секцией из галет.

Конструкции разработанных соленоидов с биттеровской галетной обмоткой (для установок СМП-1 и СМП-2) приведены на рис. 2 и 3.

Значительное место в первой главе уделено многовитковым обмоткам типа полигеликс. Такие обмотки состоят из коаксиальных спиральных подсекций, что позволяет конструктивно задавать необходимый закон распределения плотности тока J по телу обмотки.

В диссертации подробно проанализированы свойства полигеликс обмоток, в которых механические напряжения а, вызываемые пондеромоторными силами, одинаковы по всему объему обмотки (такие обмотки мы называем равнонагруженными). Наибольший интерес представляют равнонагруженныв обмотки, нагруженные до предельно возможных для материала обмотка механических напряжений отах- Условие равнонагруженноста в атом случав для центральной х-у плоскости, перпендикулярной оси соленоида, записывается в виде

° = °тах = »У В(Х) + Ввя ) ' И )

.......»мгв-.

Рис. I. Вид галвт для Оиттеровского соленоида на различны! этапах обработки.

Рис. 2. Схематическая конструкция галетного соленоида на 12 Тл для установки СМП-1.

Рис. 3. Галэтша соленоид на 15 Тл для установки СЩ-2. 1-3 - детали корпуса; 4.8,10,11 - токогюдводо; 12 - гадэтная обиэтка.

где = г - текущий радиус, В(х) - собственное поло равнонагруженной обмотки, Ввн~ внешее поле, созаваемое внешними дассипативными либо сверхпроводящими секциями (в диссертации показано, что без внешнего поля создание строго равнопагружонной обмотки невозможно* Ь.

Это условие позволяет, в принципе, найти выражение для плотности тока Лх) и расчитать общий форлфактор С соленоида для любой геометрии обмотки численными методами.

Однако общее свойство равнонагрухенных обмоток лучше понять из аналитических выражений, которые удается получить для конкретных типов обмоток, если выражение для В(х) апрксимировать соответствующим образом подобранной фунцией.

В диссертации подробно рассмотрены два типа полигелшсс обмоток: с трапецивидннм и прямоугольным осевым сечением.

Здесь мы остановимся на демонстрации основных свойств равнонагруженных обмоток прямоугольного осевого сечения (рис. 4), т.к. именно такого вида полнгегекс обмотки г

Рис. 4. Полигелинс обмотка прямоугольного осевого сечения.

''Это объясняется тем, что магнитное поле односекционнного соленоида на внешних слоях обмотки стремиться к нули (и даже ыоапзт менять знак), поэтому для сохранения равенства механических напряжений плотность тока на внешних слоях должна неограниченно возрастать.

использовании наш при разработай соленоидов.

Отметим, прежде всего, основное свойство равнонагруженных обмоток (любого типа), строго доказанное в диссертации: при заданной механической прочности равнонагруженные обмотки позволяют получать максимальные поля. Это эквивалентно утверждении, что равнонагругенная обмотка на заданное поле тлеет меньшие, по сравнению с другими типе?,га обмоток, внешние размеры (что делает шс практически незаменимыми при использовании в гибридных системах)

Аналитические выражения для плотности тока 3(х), величины поля В, потребляемой мощности 17 и форъфактора О были получены при апроксимацни собственного поля равнонагруженной секции выражением

В(х) = у^г^(у) №2 + у2)и2(3у , (2)

х

где X = г2/г1 (г2 и г1 - вобственно внешний и внутренний радиусы обмотки), (3 = 1/2г^ (I - длина обмотки), ц0 -магнитная постоянная ( в этом разделе формулы записаны в системе СИ). Совместное решение (I) а (2) давт для плотности тока выражение

а

Ях) = — хг\

, а в + / В2 + I2 ' 1~1/2

*+ »«гетт- 1 ,3)

Это выражение позволяет расчитывать и число витков в кавдой подсекции полигеликс обмотки. Если полагать, что все подсекции соедэнены электрически параллельно (именно такой вариант чаще всего реализуется в разрабатываемых наш конструкциях), то связь }(х) и п(х) дается простым выражением п(х) = и/2пг^хЛх), где и - электрическое напряжение на обмотке.

На рис. 5 приведены графики распределения по радиусу плотности тока и числа витков в подсекциях для разных

а

Рис. 5. Радиальное распределение плотности тока и числа витков в рввнонагруженной полигеликс обмотке

соотношений внешнего поля Ввн и общего поля В0 (Л = Ввд/В0).

Для суммарного поля в центре соленоида получений выражение

Г о Р + /р2 + 1 11/2

позволяющее такге определить необходимую для получения заданного поля В0 прочность материала о пря заданных значениях Вва и параметрах обмотки Л. и р.

формфактор С равнонагруженной секции в явном вида зависит не только от геометрических параметров X п р, но и от величины Л = Ввя/В0:

Р(1) Г а % р Р(1) сПпх "11/г

С = - / -р- , (5)

1 + Л I ^ Г\гР(1) + (1 - Т\г)Р(х)}

а р + / р2 + х2 где Р(1) - значение функции = 1п —

1 р + гр5

+ а

при х = 1. Пример расчета изолиний С для разных значений Ь приведен на рис. 6.

Общий коэффициент Фабри С0 (с учетом фор.фактора внешней секции Свн) определяется выражением

-1 /2

С0 = Свн( ^ С + (1 ~ Л^Свн) ' <6>

Численный анализ этого выражения показывает, что применение равнонагруженных обмоток в качестве внутренних секций диссипативных соленоидов энергетически выгодно (по сравнению с биттеровскими обмотками).

Приведенные выше выражения служат для приближенных расчетов при выборе основных параметров соленоида, окончательное уточнение этих параметров производится

к = о, { 0,2.

о, б

9 10

Рис. 6. Изолинии С равнонагруженной обмотки при разных значениях Л.

численными методами о учетом конструктивных особенностей, связанных с тепловым режимом обмотки.

В диссертации приведено описание технашгии ' изготовления полигеликс обмоток и их конструкция.

На рис. 7 показана схематично разработанная наш полигеликс секция для 3-х секционного соленоида Е-200 Нэцдународной лаборатории сильных магнитных полой (г. Вроцлав). Основные параметры этой секции: внутренний диаметр 21 мм, внешний диаметр 76 км, длина 68 км, количество подсекций - 7, толщина кежвитковой изоляции 0,1 км, зазоры меаду подсекциями для протока охдацдащей вода 0,5 мм.

Собственное поле, полученное на этой секции, составляет 10,5 Тл при потребляемой мощности I? « 1,13 МВт. В солоеодгэ эта секция создает поле 9,9 Тл (5? « 0,93 «Вт). Об^эе пшэ

Рис. 7. Схема полигвликс-секцни для солвнпдда па 20 Тл.

Рис. 8. Схематичная конструкция соленоида на 25 - 26 Тл (обозначения на следующей странице).

Обозначения к рис. 8.

11 1-я секция;

2. Н-я секция;

3. Ш-я секция;

4. корпус (дюралюминий Д16);

5. патрубки (дюралшиний Д16);

6. крышки (сталь П8Ш0Т);

7. изолирущий чилиндрический вкладаш (капролан);

8. полости в капролановом вкладыше для протока охлаздапцей воды;

9. рабочий канал соленоида;

10. изолирующие стеклоэпоксидные патрубки-вкладыши;

11. токо- и водоподводящив патрубки (хромистая бронза);

12. изолирующие стеклоэпоксидные насадки;

13. фланцу (сталь Н8Н10Т);

14. внутренние токоподводы (медные прутки);

15. верхний электрод Ш-ей секции;

16. нижний электрод Ш-ей секции;

17. нижний электрод 11-ой секции;

18. общий электрод 1-ой и 11-ой секций; в

19. нижний электрод 1-ой секции.

Таблица I (основные паралетри облатки, соленоида на 25+26 Тл)

секции параметр I 'II III

Ток I, кА 30 30 30

Напряжение 17, В 67 132 101

Мощность МВт 2,01 3,96 3,03

Поле В, Т 11,3 7,9 7,2

Внутренний радиус г1, мм 15,8 54,6 94

Наружный радиус гг, мм 49 87,4 300

Аксиальн. длина секц.2Ь, мм 120 120 318

Число спиральн. подсекций* ^ 8 7 26

Сеч. витков (радаальн. размер х аксиальн. разм.), мм2 - для внутренней подсекции - для внешней подсекции 3,2x15 4x3,88 4x2,35 4x3,6 4x5 3x11

Толщина мажсл.изоляции, мм 0.1 0,1 ОД

Зазор между спиралями, мм 0,8 0,8 I

Плотность тока А/мм2 - для внутренней подсекции - для внешней подсекции 402 360 360**) 360 106 26

Уд. теплосъем оза, Вт/см2 <544 . «544 $500

Махая. напряжения о, Юб Па - для внутренней подсекции - для внешней подсекции 174 252 302 246 <100

*) все подсекция в секциях соединены параллельно. »*) для атой секции J (г) = const.

Рис. 9. Фрагмент установки СМ11-1 (рабочее гнездо с галетш соленоидом на 12 Тл).

(Защитные кот.ут.г с токоподводое сняты )

Рис. 10. Соленоид на 15 Тл в установке СМП-Я.

соленоида 21,4 Тл. Потребляемая при этом общая мощность 4,44 Вт является минимальной для таких полей в известной практике чисто диссипативных соленоидов.

На рис. 8 приведена схематическая конструкция разработанного и изготовляемого для установка СШ1-2 полигеликс-солвноида на ~ 25 + 28 Тл. Параметры этого соленоида даны в таблице I.

В заключение первой главы приведено краткое описание установок СШ-1 и СЫП-2. На рис. 9 и 10 показаны фрагменты этих установок.

Создание этих установок и пуск их под фззпческий эксперимент - основной результат исследований, изложенных в первой глайе.

Ряд конструкций соленоидов стационарного, шщульсвого п периодического магнитных полей приведены в Прилогении. к гл.1.

Во второй главе описаны эксшржэпталышо ¿этодпкп н установки для исследований магнетиков в сильных гэппггнпх полях. В ней обсуддены особенности магнитных 1зз1эрениЗ в сильных полях и кратко описаны некоторые пзтлзрательнш "вставки" для соленоидов. Освовгоо =а вн™?лвпиз удалено описанию разработанного и пзготовхвнного пря епюлпзнпз работы автоматизированного Енсотшчувстштэльного

вибрационного магнетометра со сверхпроводящЕИ солвеоцдои.

Магнетометр икает сЬдую^э осшшшэ техшйескгз характеристики:

1.Диапазон магнитных полей

а) при последовательно!! питании секций солэкоцда 0+8 Тл;

б) при независимом питании п оптимизация токов

в обмотке 0+9 Тл.

2. Минимальное время введение тока в соленоид:

а) для создания поля 3 Тл 2 кзя;

б) для создания поля 6 Тл 8 шн;

в) для создания поля 8 Тл 20 кш.

3. Диапазон температур 1,5+400 К.

4. Время развертки ш температуре

от 4,2 ДО 400 К 0,5+5 час.

5. Чувствительность та магнитсгоуу мзконту

не ху*э 2«10"5Гс см3.

6. Воспроизводимость результатов при повторных

измерениях не хуже 0,1%.

7. Относительная точность измерений магнитного момента

для ферромагнитных образцов массой Ю^2г

не хуже 0,01%.

По совокупности параметров и сервисным возможностям магнетометр не уступает, а по некоторым параметрам и превосходит лучшие зарубежные аналоги. На базе лабораторного магнетометра были разработаны и изготовлены приборные варианты магнетометров. Краткое описание одного из таких магнетометров приведено в Приложении к гл. 2.

В третьей главе представлены результаты исследования

магнитных свойств гранулированных (кластерных) пленок

ферромагнитный металл-диэлектрик в сильных магнитных полях

на примере пленок Вакуумная технология

одновременного термического напыления железа и моноокиси

кремния из разных тиглей позволила получить пенки, в которых

наблццается концентрационный переход от

ультрамелкокриствллического к аморфному состоянию. В

достаточно широкой переходной области концентраций

(20 о6.% <х <40 об.Ж) реализуется кластерная ** структура

й

образцов с характерными размерами кластеров ~ 300 + 500 А, состоящими из субкластеров размерами ~ 30 + 50 А (рис. II).

В отличив от изучаемых другими авторами гранулированных пленок (например, ИИ-БЮ^, Н1-А1203, Со-БЮг), с кристаллическими гранулами металла, в наших образцах при концентрационном переходе в аморфное состояние реализуются аморфные

кластеры в аморфной диэлектрической матрице.

•) Термин "кластер" в последнее время получил достаточно широкое распространение, что может привести к путанице из-за неустоявшейся терминологии. Смысл употребляемого нами терми-

на "кластер" будет ясен из последующего изложения материала.

1С) I-1

50 nm

Рис. II. Структура и электронограммы пленок Pe-SíО.

(а) 20 vol.",, SiO;(b) 31 vol."„SiO; (с) 77 vol.",, SiO.

Установлено, что при больших содержаниях S10 в образцах наблюдается концентрационный переход ферромагнетик суперпарамагнетик, построена фазовая х-Т диаграмма такого перехода, определен характерный магнитный момент суперпарамагнитных кластеров и оценен их средний размер.

Для выяснения влияния структуры на обменный параметр в области составов, соответствующих ферромагнитному состоянию, проведены исследования температурной зависимости намагниченности в насыщанцих шлях. Показано, что для образцов с х < 30 об.% в используемом диапазоне температур (4,2 + 400 К) экспериментальные результаты хорошо описываются законом Блоха лИ/lf « Для образцов с

х > 30 об.Ж в области низких температур наблюдается незначительное отклонение от закона Блоха, которое может быть объяснено наличием в образцах незначительных количеств парамагнитной (суперпарамагнитной) фазы (рис. 12).

Из сопоставления экспериментальных результатов с законом Блоха были найдены константы Блоха В и связанные с ней значения параметра обменного взаимодействия А и константы спин-волновой жесткости D = 2A/UQ. Концентрационная зависимость D приведена на рис. 13, который иллюстрирует значительное (в ~ 1,5 раза) уменьшение константы спин-волновой жесткости при переходе в аморфное состояние.

Влияние кластерной структуры образцов на дисперсионный закон для спектрэ спиновых волн изучалось методом спин-волнового резонанса (СВР) на частотах 30 + 150 ГГц с помощью широкополосного резонансного спектрометра, разработанного и изготовленого при выполнении данной работы. Для пленок с х < 30 об.% наблвдался спектр с 8+10 хорошо разрешенными модами, соответствующий несимметричным граничным условиям поверхностного закрепления спинов. Такие условия должны приводить к Киттелевскому квадратичноиу закону зависимости расстояния между основной (первой) и п-ой резонансными модами 0Ы = Нл - Вп от номера моды п :

U/7 = Нп - 4тШ + (2A/U где ш - частота, f - гиромагнитное отношение, k - волновой вектор, соответствупций п-ой моде (fe = nz/d; п = 1,2,3,...;

1Р3К3/2

О 2 4 0 8

Рис. 12. Температурная зависимость относительного изменения намагниченности насыщения образцов разного состава.

Рис. 13. Концентрационная зависимость константы спин-волновой жесткости Б.

I - при расчете использовалось аффективное значение намагниченности образцов; 2 - при расчете использовалось значение намагниченности, приведенное к единице массы железа, содержащегося в образце; К - кристаллическая фаза; А - аморфная фаза.

29

Pec. 14. Дисперсионный эакон для спектра спиновых волн пленок Fe-StO.

d - толщина пленки.

Однако, только для образцов с малым содержанием S10 (до - 10 об.Ж) экспериментальные результаты соответствует: теории Киттеля. При увеличении содержания S10 дисперсионный закон для спектра СВР начинает отклоняться от киттелевского и при х ~ 20 + 25 об.Ж становится существенно нелинейным по к2 (см. рис. 14).

Для объяснения полученных . спектров были привлечены результаты развиваемой параллельно проводимым экспериментальным исследованиям теории Игнатченко В.А. и Исхакова P.C. (в кн.: Магнитные свойства кристаллических и аморфных сред. Новосибирск, Наука, 1989, с. 000-000), описывапцей свойства стохастических ферромагнитных сред со случайными флуктуациями обмена, намагниченности, анизотропии и др. параметров. Оказалось,что наблвдаемые нами экспериментально спектры полностью описываются дисперсионным соотношением для стохастического ферромагнетика с флуктуирующим обменом. Из сопоставления экспериментальных и теоретических дисперсионных законов были определены численные значения обмена А, намагниченности У, дисперсии обмена т^ = (hA/A)2, а также корреляционное число kQ и корреляционный радиус флуктуаций обмана rQ. Прямым сопоставлением полученных значений 2rQ с размерами структурных кластеров, измеренными при

электронномикроскопических исследованиях, впервые было количественно показано, что модификация дисперсионного закона полностью объясняется флуктуациями обмена, которые, в свою очередь, определяются кластерной структурой исследованных аморфных штэиок.

В четвертой главе приводятся результаты исследований по получению композитных массивных аморфных ферромагнетиков методом взрывного ко?,тактирования из порошка аморфного металического ферромагнетика и диэлектрика. На основании результатов, изложенных в предыдущей главе, а так жэ из общих соображений теории протекания южно было ожидать, что такие материалы будут сочетать достаточно малую электрическую проводимость с высокими магнитными характеристиками, если удается подобрать режимы взрывного

контактирования, при которых сохраняется аморфное состояние , да стад ферромагнитного порошка.

Анализ происходящих при взрывном компактировании процессов, краткое изложение которого приведено в работе, показал, что компактирование чисто металлического аморфного порошка, при котором частицы остается аморфными, возможно. (Такое компактирование было осуществлено Бадаевым А.Д., Кирко В.И., И др. ДАН.- 1985.- Т.284.- N 4.- С.854-856).

Это дало основание предполагать, что возможно и компактирование двухкомпонентной смеси аморфный металический порошок + порошок диэлектрика. В случае двухкомпонентного соствва существенную роль играет соотношение размеров частиц, т.к. от него зависит распределение энергии взрыва между компонентами. При уменьшении размера частиц порошка диэлектрика по сравнении с размереми частиц металла доля анергии ударной волны, передаваемой в диэлектрическую фракцию, возрастает. В результате можно реализовать ситуацию, при которой полученный композит будет представлять собой аморфные частицы металла, вплавленные в диэлектрическую матрицу. Такую ситуацию удалось реализовать в схеме осесимметричного пресования (см. рис. 15) при использовании металлического порошка аморфного сплава 71КНСР (Со71Я112Ре^В43{7)* со средним размером частиц (по большой оси) 40 + 60 мкм, средних размерах частиц диэлектрика (ЭШ) 1 + 5 мкм, насыпной плотности шихты ~ 0,7 + 0,75 и взрывном давлении в зоне компактируемого образца от - 2 ГПа (при малом содержании БЮ) до - 4 ГПа при содержании более 50 + 60 вес.Ж.**)

Аморфность полученных образцов подтверадена рентгеноструктурными исследованиями,

алвктронномикроскопичекиа исследования показали, что глубина

*) Приготовлено в ЦНИИЧМ В.П.Овчаровыы

**) Оказалось, что величина "окна" давлений, при которых

спресованный образец остается аиорфным, достаточно велика.

Так, при X < 10 вес.% частицы металлического порошкг кристализуются полностью лишь при давлении во фронте ударно! волны свыше 10 + 12 ГПа (-100 + 120 кбар).

Рис. 15. Взрывной патрон для осесиммзтрнчного прессования.

I - шихта; 2 - металлическая трубка; 3 - медные проклздки; 4 - медные заглушки; 5- стакан;

6 - взрывчвтое вещество;

7 - детонатор.

Рис. 16. Зависимость намагниченности насыщения об-образцов от содержания диэлектрика - I; 2 - намагниченность рассчитана на единицу массы ферромагнитной компоненты в образцах. 3 - концентрационная зависимость электросопротивления образцов.

взаимного проникновения материала частиц металла. диэлектрика, а также частиц металла между собой ~ I мкм.

Магнитные измерения показали, что в результате компактирования порошка в массивный образец намапгаченност! насыщения, расчитанная на единицу массы ферромагнитно{ компоненты, не меняется*, приницаемость и коэрцитивнаг меняются незначительно (р ~ Ю3 + Ю4, Нс - Ю~1Э), константа спин-золновой жесткости, определяемая иг сопоставления температурной зависимости намагниченности, снятой в насыщающих полях, с законом "трех вторых" Шкш также практически не меняется. Эти данные позволяют утверждать, что химический и фазовый состав ферромагнитные частиц в результате их "сварки" в композитный материал не изменился.

Результаты измерения намагниченности I

электросопротивления образцов, приведенные на рис. 16 показывают, что существует область концентраций (I > 31 вес.Ж БЮ), для которой намагниченность насыщени уменьшается незначительно (в 1,5 + 2 раза), в то время ка удельное электоросопротивление возрастает на нескольк порядков. Это позволяет надеяться, что получении композитные материалы аморфный ферро магнитны металл-диэлектрик окажутся перспективными для техническог применения

Пятая глава посвящена аморфным ферримагнитным пленка переходной металл - редкая земля Со-Ду в сильных магнитны полях. Интерес к аморфным 3(2-4/ сплавам вызван возможность получения устойчивых (не подвергающихся фазовому распада пленок, которые оказались весьма перспективными до использования их в качестве сред для магнитооптическс записи, обработки и хранения информации.

Однако, если в использовании исследуемых материале имеются заметные успехи (ряд зарубежных фирм начш мелкосерийные выпуски магнитооптических накопителей дисками на 3(3-4/ пленочных покрытиях), то прогресс в облает исследований физических свойств аморфных 3(3-4/ пленок I столь существенен. Особо противоречивы результа'

исследований и их интерпретация в области точки магнитно й компенсации, наблвдаищейся для некоторого интервала составов пленок. Нельзя также было считать решенным и вопрос о типе магнитного упорядочения. Хотя наличие точки компенсации позволяет предполагать наличие ферримагнитного упорядочения, вопрос применения даже простой двухподрешеточной модели для описания свойств аморфных магнетиков с сильной стохастичностыэ далеко не очевиден. Нам кажется, что убедительным доказательством адекватности описания 3(1-4/ аморфных пленок двухподрешеточной модели явилось бы обнаружение спин-переориентационных. переходов в неколлинеарное состояние ("охлопывание" подрешеток).

Теоретическое описание спин-переориентационных переходов для Зй-4/ форримагнвтиков было развито в работах Белова К.П., Звездам Д.К. и др. (Ориентационные перехода в редкоземельных магнетиках. М.: Наука. 1979. 436 е.).

В теории была использована простая двухподрешеточная модель с пренебрежимо малым обменом в редкоземельной подрешетке. Подрешетка переходного материала считалась намагниченной до насыщения собственным обменным полем а подрешетка представляла собой парамагнетик, находящийся во внешнем поле и обменном поле Нобы. созданном Зй-подрешеткой. Яобм .= ~ • гдэ ~ немагня~

ченность подрешетки переходного металла, \ - константа межрешеточного обмена. Качественный вид фазовых дааграм одноосного Зй-4/ ферримагнетика приведен на рис. 17 а,б.

Анализ опубликованных результатов исследований магнитных свойств Зй-4/ аморфных пленок, а также приведенных в диссертации собственных исследований ФМР и кривых вращательных момкнтов Ду-Со пленок вблизи температуры компенсации показал возможность объяснения ряда свойств аморфных 1)у-Со пленок существованием фазовых ориентационных переходов. В результате этого появилась возможность поставить главную задачу данного исследования: попытаться обнаружить индуцированный магнитным полем фазавый переход в неколлинеарнув фазу.

Обнаружение такого перехода, связанного с началом "схлопывания" магнитных подрешеток, на аморфных магнетиках позволило бы:

а Т Ъ Т

Рис. 17, Теоретические фазовые диаграммы спин-переориентацион-ных переходов в 3(1-4/ ферримагнетиках (а - Н|0ЛН, Ь - йхОЛН).

- убедиться в адекватности выбранной модели магнитного (ферримагнитного) упорядочения реальной магнитной структуре аморфных Зй-4/ пленок;

- построить фазовую диаграмму перехода (или ее часть)

для исследуемых образцов;

измерить константу межподрешеточного обменного взаимодействия Л.

Для решения поставленной задачи исследовалась температурная зависимость намагниченности, петли гистерезиса и аффект Холла пленок Со-Т/у в широком интервале температур (включаицим температуру компенсации Тк ) и полях до 8 + 10 Тл.

Типичные кривые температурной зависимости намагниченности, приведены на рис. 18.

На рис. 19 приведена фазовая Н-Т диаграмма, построенная по результатам измерения температурной зависимости намагниченности. Сравнение этой диаграммы с рис. 17 а

1,(10 А/т)

600 ш 200 400 200 О

т 200 о

н = 46-1СРА/,

360

Я = 4 ■ 1(Р А/т

Т" 7 360 и = 2Т5-1СрА/т

ТК

300 360 '

т

200 ' о

1-77Г

360 >

Рис. 18. Температурная зависимость намагниченности пленки Оугл 7Со78.з в разных полях.

Рис. 19. Экспериментальная Н-Т диаграмма планки ^

1,(103А/т)

Рис. 20. Кривая перемагничивания (фрагмент петли гистерезиса) пленки Цугл 7Са1в :з при Г = 300 К.

ин, (геб. ипИ )

...л/

200 300 Т,К

«н

Рис. 21. Типичные кривые эдс Холла при ЙЦОЛН (верхний рис.) и Н^ОШ (нижний рис.).

H,(l05Alm) 60

40 20 0

J_1_

.Г, • T2

130 150 Л 290 310 Т,К

Рис. 22. Ы-Т диаграмма аморфной Dy-Co пленки при Их0ЛН.

показывает, что кривая ой на диаграмме возложно отвечее" переходу в неколлинеарное состояние.

Правильность такой интерпретации подтверждается наблюдением характерного "излома" на кривой намагничивания (рис. 20), (Н-Т)-координаты которого соответствуют кривой об. (на рис. 19 эта точка отмечена знаком "V").

Переход в неколлинеарное состояние под действием сильного магнитного шля подтверждается также характерными особенностями на кривых температурных .зависимостей аде Холла, снятых в различных полях (рис. 21), по которым также построены фазовые Н-Т диаграммы переходов (см. рис. 21 и соответствующую данной геометрии эксперимента теоретическую фазовую диаграмму на рис. 17 О).

Таким образом, совокупность полученных данных позволяет утверхдатъ, что в наших экспериментах действительно наблюдается индуцированный полем переход в неколлиневрное состояние, а фазовые диаграммы этих переходов качественно описываются упомянутой выше теорией для одаосных двухподрешеточных ферримагнетиков.

Количественная обработка диаграмм позволяет определить константу межподрешеточного взаимодействия, например, по

величине поля Н* (для случая, когда Н | ОЛН, Н* « ,

где К - константа одноостной анизотропии, измеряемая в эксперименте по петлям гистерезиса) или координатам "узкого горла" (для случая Я ± ОЛН; X * 2й*2,к/ДГ «ГСо, где АГ -"ширина горла", JCo - намагниченность подрешетки кобальта). Величина X может быть также определена непосредственно из поля "излома" на кривой намагниченности и по изменению дифференциальной восприимчивости при переходе неколлинеарное состояние. Все эти способы дали близкие значения к для пленок компенсационных составов: Л. 160 + 200.

Шестая глава играет чисто иллюстративную роль: в ней продемонстрирована возможность использования сильных магнитных полей для изучения обменно-связанных кластеров в метал-лоорганических соединениях.

Измерения восприимчивости в сильных магнитных полях позволило понять, что в полимеризированном ацетилацетонате железа (Ре3+; образуются обменно-связаннне кластеры железа с

шзкосшновым состоянием (фрустрированные кластеры). Определена температура внутрикластерного упорядочения 22 К) и показано, что сильное магнитное поле индуцирует оринтационный переход кластера в высокоспиновое состояние.

В седьмой главе приведены результаты исследований пленарной структуры жидкокристаллическая пленка нема тика -- твердая подложка в сальных магнитных полях.

Поведение систем ЖК-подложка описывается рядом параметров и фундаментальных констант, к важнейшим из которых относятся потенциал поверхностного взаимодействия и энергия сцепления молекул ЖК с подложкой. Измерение этих пораметров является важной задачей как для фундаментальной физики ХК, так и для решения различных прикладных задач.

Наиболее очевидным методом измерения указаных констант является исследование ориентационных эффектов в ЖК под действием внешних полей.

Сейчас такие измерения проводятся в электрических полях (так как создать сильное электрическое поле несравненно проще магнитного), однако при этом результаты искажаются появлением объемных зарядов, поверхностной поляризации и ионных токов. Поэтому измеренные, например, значения энергии сцепления молекул ЖК с подложкой из электрических измерений по данным разных работ даже для одинаковых пар ЖК-подложка отличаются на 2 + 3 порядка.

Исследования ориентационных эффектов в жидких кристаллах с использованием сильных магнитных полей имеют очевидные преимущества из-за отсутствия побочных аффектов.

Ситуацию, однако, осложняет следующее обстоятельство.

Мерой анергии сцепления V может служить разница ОН да*ду пороговыми полями перехода Фредерикса Ип для реального образца с анергией сцепления V и такого же образца, во с бесконечно сильным сцеплением Н^ (т.е. при да - <» ).

Очевидно, что величина 6И•» - #п растет при уменьшении толщины ЖК-слоя. Расчеты для реальных значений анергии сцепления ХК с подложкой показывают, что величина ОН становится достаточной для экспериментальных измерений лишь для сравнительно тонких пленок. Но при уменьшении толщины пленки растет величина порогового поля &с

Создание же достаточно сильных магнитных полей - сложьг.: задача, поэтому пока имеются единичные публикации по измерению (7 в магнитных полях, причем все указанные работы выполнены для гомеотропной либо наклонной (исходной) ориентации директора. Для болев сильной (по сравнению с гомеотропной) пленарной ориентации, требующей полей большей величины, экспериментальные работы по измерению 17 в магнитном поле (по исследованию 5-эффекта) отсутствуют. Не имеется данных и об исследовании температурной зависимости порогов Фредерикса в магнитном поле для такой конфигурации ЖК.

Создание экспериментальной техники для генерации сильных стационарных магнитных полей (гл. I) позволило нам поставить и выполнить задачу по определению анергии сцепления Ш с твердой подложкой из наблюдения Э-эффекта в тонких немати-ческих пленках.

Было проведено исследование переходов Фредерикса в Планерной структуре кварц - нематик 5ЦБ - кварц. Пленарная ориетация ЖК молекул достигалась специальной обработкой внутренних поверхностей ячейки, информация о состоянии образца регистрировалась с помощью поляризационно-оптической установки.

Кривая оптического пропускания ЖК-пленки при наложении на нее магнитного поля, перпендикулярного плоскости ячейки, приведена на рис. 23. Стрелкой показана величина порогового поля

Зависимость пороговых полей 5ЦБ от толщины ЖК-слоя для для одного из типов исследованных ячеек (подложки обработаны субмикропорошком АСМ-0,5/0) ячеек, с разными типами подложек показана на рис. 24. Сплошная линия на этом рисунке рассчитана по формуле

= (г/й)(1ги/АХ)л/2

и соответствует пороговым полям перехода Фредерикса для случая бесконечно сильной связи. Здесь <2 - толщина ЖК-слоя, й11- упругая константа деформации поперечного изгиба, л^ -анизотропия магнитной восприимчивости. Для больших толщин пленарных ЖК-слоев разность между Нп и сравнимо с точностью определения самих пороговых полей. Однако при

Ю"

30

40

1нп

50

кЭ

Рис. 23. Оптическое пропускание при Б-эффекте для 5ЦБ толщиной й = 1,54 мкм при Т = 23°С (а), б - сигнал для изотропной фазы.

Н„.кЭ

0.15 0,4Ь

0.60

о.ть

Л"1 Л Сд > икм

Рис. 24. Зависимость пороговых полей перехода Фродерикса от обратной толщины ЖК-слоя.

толщинах нематического слоя, меньших 3 мкм, получено надежное разрешение порогов й^и Нц, что и позволяет определить величину 19, используя известное выражение (приближение Ра шита):

Ни

а00 а

п

t8

Нп х

£

Рассчитанные значения !У для ячеек с толщинами <3 = 2,06; 1,75; 1,54; 1,31 мкм при температуре 23°С оказались равными (2 ± 0,1) Ю-4 Дж/ м2. В пределах указанной точности измерений зависимость ?! от <3 в данном диапазоне толщин ЖК нами не обнаружена.

В работе исследована также температурная зависимость полей Фредерикса, к, что позволило определить температурнуп зависимость

В заключение отметим, что наиболее сильно преимущества измерений Я в сильных магнитных полях должны проявиться при исследовании ЖК-ячеек, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, т.к. корректность измерения таких образцов в электрических полях достаточно проблематична. Проведение таких исследований мы планируем в дальнейшем. В первую очередь будет исследован индуцированный сильным магнитным полем переход Фредерикса в ячейках нематик-триглицинсульфат.

В Прилохеташ, куда, как уже было сказано, вынесено описание некоторых типов соленоидов и приборного варианта магнетометра, приведены также результаты исследования некоторых магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников.

В этом же разделе приложения приведены результаты исследований индуцируемых сильным магнитным полем магнитных переходов в Ъа^СиО^. Сопоставление экспериментальных и теоретических фазовых диаграмм (Барьяхтар и др.) позволило наложить некоторые ограничения на параметры Гамильтониана, описывающего обменные взаимодействия и анизотропию в кристалле

Хс^СиОд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ВЫВОДЫ

В данной диссертации обобщены работы по создании сильных стационарных магнитных полей и исследованию нооднородных магнетиков в таких полях. В широком смысле этого слова под неоднородными магнетиками видимо можно подразумевать как магнетики с нарушенным атомарным порядком, так и магнетики с неоднородным распределением намагниченности. В диссертации рассматривался второй класс магнетиков, хотя чаще всего оба вида неоднородностеЯ сосуществуют, так как нарушения атомарного (молекулярного) порядка приводит к возникновению маг-, нитных неоднородностей (как например, в аморфных магнетиках, "деформированных" электрическим или магнитным полем жидкокристаллических диамагнетиков и др.). К неоднородным магнетикам здесь были условно отнесены и форри- и антиферромагнетики с нарушенной внешним полем коллинеарностью подрешэток, а также высокотемпературные сверхпроводники, в которых внешнее поле, большее первого критического, вызывает неоднородное магнитное состояние (вихревая магнитная решетка).

В диссертации показано, что сильные магнитные поля являются великолепным инструментом для исследований неоднородных магнетиков, позволяющим получать уникальную информацию о их магнитной структуре, обменных взаимодействиях и др. Однако создание таких полей является самостоятельной сложной задачей, для экспериментальной физики может быть даже более важной, чем проведенные в них конкретные исследования. Поэтому в диссертации помимо результатов исследований неоднородных магнетиков (аморфных и гранулированных пленок, гранулированных массивных аморфных ферромагнетиков, аморфных ферримзг-нитных пленок 3(1-4/ сплавов, неоднородно намагниченных диамагнитных высокотемпературных сверхпроводников и жидкокристаллических пленок) значительное внимание уделено развитию экспериментальной техники и технологии создания сильеых стационарных магнитных полей, а твкже методике и технике эксперимента в таких полях.

Ниже приведены кратко основные результаты, полученные в данной работе.

1. Созданы установки сильных стационарных магнит'г-т полей с номинальной мощностью на соленовде ~2 МВт (СМП-1) и -7,5 МВт (СМП-2), позволянщэ на соленоидах различного типа генерировать поля до 12 Тл (СМП-1) и 15 + 25 Тл (СМП-2).Это, безусловно, главный результат первой части представленной работы.

Создание данных установок потребовало целенаправленной последовательной работы по развитию теории, техники и технологии создания сильных стационарных магнитных полей. Полученные при этом результаты имеют самостоятельную ценность. Часть из них приведена ниже в пл. 2 + 5.

2. Развита теория и метода расчета обмоток соленоидов для создания сильных стационарных магнитных полей.

Предложи метод расчета обмоток бнттэровского типа с аксиальными каналами охлаждения, использующий теорию конформных отображений. Метод позволяет вычислять при заданном тепловом региме распределение каналов охлаждения, функцию распределения плотности тока по площади диска, величину генерируемого поля (постоянную соленоида), сопротивление обмотки и ее энергетическую эффективность (форм-фактор Фабри) для найденного распределения каналов охлаждения.

В отличие от существующих, метод не требует предварительного знания каких-либо эмпирических коэффициентов (учи-тываицих наличие каналов охлаждения), определяемых в слостых дорогостоящих моделбных экспериментах.

Несомненным преимуществом метода является возможность его использования для расчета соленоидов, собранных из проводящих пластин произвольной формы (подобие внешних и внутренних границ пластш не обязательно) и с любой формой сечения каналов охлаждения.

3. Рассмотрены обмотки типа полигеликс для создания сильных стационарных магнитных нолей:

- Проведен полный теоретический анализ равнонагрукенных полигеликс обмоток, в которых механические напряжения, возникающие под действием пондеромоторных сил постоянны по всему объему обмотки £ о(1,у,г;=сопз£ ^. Строго доказано, что равнонагруженные обмотки позволяют получать максимальные поля при заданной прочности материала обмотки. Показано, что равпонагруженная обмотка на заданное поле имеет

меньшие, по сравнению с другими типами обмоток, внешние размеры, что делает предпочтительным использование именно таких обмоток для внутренних секций как в гибридных, так и в полностью дассипативних соленоидах, предназначенных для генерации предельно достижимых магнитных полей. Современная мировая тенденция развития техники сильных магнитных полей подтвервдает этот вывод.

- Подробно рассмотрены равнонагруженные обмотки прямоугольного осевого сечения, получены аналитические выражения для расчета таких обмоток. Аналитически и численно исследована энергетическая эффективность как собственно равно-нагруженных секций, так и обмоток соленоида в целом при использовании внутренней равнонагруженной секции. Показано, что использование равнонагруженной секции позволяет увеличить общий форм-фактор диссипативных соленоидов. .

- Рассмотрены ограничения, налагаемые на конструктивные параметры полигеликс обмоток влиянием теплового режима работы. Разработан алгоритм и программы расчета полигеликс обмоток реальных соленоидов с учетом ограничений по механической прочности и тепловому режиму.

4. Предложена и разработана технология монолитных (клееных) гвлетных секций для обмоток биттеровских соленоидов, позволяющих увеличить тепловую и механическую прочность обмотки и ее ресурс.

Работоспособность галетных обмоток испытана в полях до 20 Тл (в Международной лаборатории сильных магнитных полей и низких температур, Вроцлав) и подтверждена длительной эксплуатацией в соленоидах на установках СМП-1 и СМП-2.

5. Разработана технология изготовления полигеликс обмоток, в том числе - обмоток большого диаметра. Изготовлены и испытаны полигеликс обмотки для соленоидов на поле ~ 20 Тл.

6. Предложены, разработаны и изготовлены оригинальные соленоиды для генерации сильных стационарных магнитных полей:

- ленточные соленоида с частично раскручивающейся обмоткой на поле до 15 Тл;

- биттеровские соленоиды с галетной обмоткой на поле 12 Тл и 15 Тл для установок СМП-1 и СМП-2.

Разработан и изготавливается соленоид с трехсекцкагп-.я полигеликс обмоткой на поле ~ 25 Тл (для установки СМП-2).

7. Разработаны методики магнитных, электрических и оптических измерений в сильных магнитных полях на установках СМП-1 и СМП-2.

Разработан высокочувствительный универсальный автоматизированный вибрационный магнетометр с чувствительностью не хуже 2 Ю_5Гс/см3, позволяющий проводить измерения магнитных свойств любых магнетиков в широком диапазоне полей (0+9 Тл) и температур (1,5+400 К) с воспроизводимостью результатов при повторных измерениях не хуже 0,1%. Относительная точность измерений изменения магнитного момента для ферромагнитных образцов массой ~10-2г не хуже 0,01%.

Разработаны и изготовлены приборные варианты магнетометров по совокупности параметров не уступающие, а по некоторым - превосходящие лучшие зарубежные аналоги.

8. Подробно изучено поведение гранулированных (кластерных) пленок ферромагнитный металл-диэлектрик в сильных магнитных полях на примере пленок Стохастич-ность структуры таких пленок определяется .структурным беспорядком, возникающим при разбавлении желеа моноокисью кремния.

Прямыми электронно-микроскопическими исследованиями показано, что в использованной технологии вакуумного напыления пленки с х < 20 + 22 об.% имеют ультрамелкодисперсную структуру, при х > 40 об.% образцы полностью аморфны. Для переходной области концентраций Б10 (20 об.% < х < 40 об.%) реализуется кластерная структура образцов с характерными размерами кластеров ~ 300 + 500 1, состоящими из субкластеров размерами ~ 30 * 50 А.

Исследовано влияние аморфизации на обменное взамодейст-вие в пленках с кластерной структурой. Показано, что переход в аморфное состояние сопровождается уменьшением константы спин-волновой жесткости Б (и, соответственно, параметра обменного взаимодействия а) в - 1,5 раза.

Экспериментально изучено влияние кластерной структуры пленок на дисперсионный закон для спектра спиновых волн. Показано, что спектр спин-волнового резонанса удовлетворитель-

но описывается теорией для сред с флуктуирующим обменом. Определена величина корреляционного радиуса г0 флуктуаций! обменного параметра а и дисперсия обменного параметра 7а.| Показано, что величина корреляционного радиуса флуктуаций параметра обменного взаимодействия определяется размерами

С

структурных кластеров (2г0 « 400 А).

9. Методом взрывного компактирования получены массивные аморфные композитные ферромагнетики ферромагнитный металл--диэлактрик . Исследованы магнитные и электрические свойства подученных образцов. Показано, что существует область концентраций (х>30 вес.Ж) для которой при незначительном уменьшении намагниченности электросопротивление возрастает на несколько порядков. При это;, магнитная восприимчивость остается достаточно высокой, £ гистерезксные потери на перемагничиваниэ малыми. Совокупность этих свойств делает полученные материалы перспективными для практического использования.

10. Проведено комплексное исследование магнитных свойсп и эффекта Холла в аморфных Иу-Со плэнках.

Показано существование спин-переориентационных переходо] в таких пленках вблизи точки магнитной компенсации, в то; чмслэ - переходов, индуцируемых сильным магнитным полем. Построены фазовые Ы-Т таких переходов для случаев ИЦОЛН 1 Н±0ЛН.

Показано, что экспериментальные результаты находятся : достаточно хорошем согласии с феноменологической те орда спин-переориентационных переходов для одноосных 33-4/ ферри магнетиков, что подтверждает адекватность выбранно модели магнитного упорядочения реальной магнитной структур

• Определена константа К межподрешеточного Зй-4/ обмена А. ~ 160+200.

11. Сильные магнитные поля применены для исследоваш обменносвязанных кластеров органических соединений. Сущест вованием таких кластеров (обменных кластеров железа) объяс нены результаты измерений намагниченности и восприимчивое термически обработанного раствора ацетилацетоната желег <С15£Г21Обй» в демитилфголате. Определена температура внуч рикластерного упорядочения (Гк = 22 К). Сильным магнитш

лэлем (U - 5 Тл) индуцирован магнитный переход из низкосии нового в высокоспиновое состояние.

12. Впервые исследован переориентационный переход Фреде-рикса в сильных магнитных полях в планерных структурах жидкокристаллическая пленка-подложка.

Измерены пороговые поля перехода Фрэдерикса и определена энергия сцепления нематика 5ЦБ с кварцевой подложкой для пленарной ориентации (й^ЗООК = (2*0,1) ?0~4 Дж/м2} и ее температурная зависимость.

Установлено отсутствие размерного эффекта для П в диа-1азоне исследованых толщин ЖК (d ~ 1,3+2 мкм).

Основное содержание диссертции опубликовано в следухщих заботах:

1. Хрусталев Б.П., Катругин D.K., Кочаров Н.Г., Тройнар К, Гликьски М. Галеты для соленоидов биттеровского типа // Польша, Вроцлав, 4975, бо.(International Laboratory for High Magnetio Fields and bow Temperatures, Preprint N 26).

2. Khrustalev B.P., Katrukhin Yu.K., Kotoharov N.G., Troj-nar K.A. Galettee for cooled solenoids // J. Phy3. E: Sci. Instr.- 1977.- V. 10.- P. 140-141.

3. Катругин U.K., Кочаров Н.Г., Хрусталев Б.П., Вазан Ч., Тройнар К.Д.. Клееные водоохлаждаемые обмотки // ПТЭ.-1978.- N 5.- С. 187-189.

4. Katrukhin Yu.K., Khrustalev В.P., Trojnar К.A. Glued panoake Coils for Bitter Solenoids // ГЕЕВ Trans, on Magn.- 1981.- liag. 17.- N 5.- P. 1896-1899.

5. Katrukhin Yu. K., Doroshenko. A. P., Khrustalev B. P., Trojnar K. Further improvement oi gallettee coils //

•J. de Phys.- 1984.- V. 45.- Suppl. N 1.- P. C159-62.

6. Хрусталев Б.П., Вейсиг Г.С., Садовский A.M., Тарасов В.И. Установка стационарного магнитного поля на 10 Т. - В кн: Магнитные свойства пленочных и массивных материалов, Красноярск, АН СССР, Сиб. отд. ИФ. 1977, с. 101-103.

7. Хрусталев Б.П. Соленоиды для сильных магнитных полей. Препринт N 132Ф, ИФ СО АН СССР, Красноярск, 1980, 31 с.

8. Хрусталев Б.П. Водоохлахдаемые соленоиды для сильных магнитных полей.- в кн. Физика магнитных пленок (республиканский сборник, вып. N 14).- Иркутск.- 1980.-С. 137-139.

9. Хрусталев Б.П., Катрухин D.K., Вейсиг Г.С., Яковенко

B.Л. Создание и использование сильных магнитных полей.-в кн. Физика твердого тела. Биофизика.- Красноярское книжное из-во.- С. 69-72.

10. Дорошенко А. П., Катрухин С. К., Кочаров Н. Г., Хрусталев Б.П. Соленоид с переменной плотностью тока // ЖТФ.- 1976.- Т. 46.- N 1.- С. 209-211.

11. Katrukhin Yu.K., Doroshenko А. P., Khrustalev В. P., Trojnar К. Testing Polyhelix Winding in International Laboratory //Proo. 9-th Intern. Conf. on Magnet Technology.- Zurich, Switzerland.- 1985.- P. 55.

12. Фомин O.B., Хрусталев Б.П. Импульсный соленоид на поле 450-500 кЭ // ГГГЭ.- 1976,- N 5.- С. 235-236.

13. Хрусталев Б.П. Техника и технология сильных стационарных магнитных полей. - В кн: Магнитные свойства кристаллических и аморфных сред. Новосибирск, Наука, 1989, с. 235-250.

14. Карпенко U.M., Хрусталев Б.П. Индуктивность с высокой добротностью в установке импульсного магнитного поля // ПТЭ.- 1976,- N 3.- С. 194-196.

15. Карпенко М.М., Хрусталев Б.П. Формирование импульса магнитного поля с плоской вершиной // ПТЭ.- 1978.- N6.-

C. 141-142.

16. Khrustalev В.P. Laboratory for High Stationary Magnetic Fields at the Institute of Physios of the USSR Academy of Sciences Sibirian Branch // i ккк Trans, on Magn.-1992.- V. 28.- N 1.- P. 787-789.

17. Карпенко M.M., Хрусталев Б.П., Каневский М.Е. Ленточный соленоид с "раскручивающейся" обмоткой// Письма в ЖТФ. -1975-- Т. 1.- вып. 2.- С. 78-81.

18. Каневский М.Ю., Хрусталев Б.П., Карпенко М.М., Мещеряков С.М., Тарасов В.И., Шутеев В.П. Ленточный соленоид постоянного поля на 130 кЭ // ПТЭ.- 1975.- N1.- С. 208-209.

19. Каневский M.D., Карпенко M.M., Хрусталев Б.П., Шуте -ев В.П. Ленточный соленоид для сильных магнитных полей. //A.c. на изобрет. N 1993841/07 (опубликовано 25.06.76. Бюллетень N 23).

20. Балаев А. Д., Бояршинов D. В., Карпенко M. М., Хрусталев Б.П. Автоматизированный вибрационный магнетометр. - В кн. Проблемы магнитных измерений и магнито-измерительной аппаратуры, Ленинград, 1983, с. 218-219.

21. Балаев А. Д., Бояршинов d. В., Карпенко M. М., Хрусталев Б.П. Автоматизированный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом // ПТЭ.- 1985.- N 3.- С. 167-168 (Полный текст: ВИНИТИ, N 69-85 деп., 32с.).

22. Khrustalev В.Р., Balaev A.D., Pozdnyakov V.G., Vershinina L.I. The Structure and Spin-Wave Resonance Spectrum of Fine-Crystallous and Amorphous Fe-SiO Films // Abstr. Book for the Inter. Conf. on Magnetism, San Franoisoo, U5A.- 1985.- P. 242.

23. Хрусталев Б.П., Балаев А.Д., Поздняков В.Г. Магнитные и алектрические свойства аморфных пленок Fe-SiO // Digestes ol the Intern. Symp. on Magn. of Amorphous Mat., Balatonszeplak, Hungary.- 1985.- P. 60-61.

24. Khrustalev B.P., Balaev A.D., Pozdnyakov V.G. Magnetic Properties of Fe-SiO Film3 // Thin Solid Films.- 1985.7. 130.- P. 195-207.

25. Khrustalev B.P., Balaev A.D., Pozdnyakov V.G., Vershinina L.I. The Spin-Wave Resonance Spectrum and the Structure of cerment Fe-SiO Films // Sol. St. Comm.-1985.- V. 55.- N 8.- P. 657-662.

26. Хрусталев Б.П., Балаев А.Д., Поздняков В.Г., Вершинина Л.И. Обменное взаимодействие в ферромагнитных пленках Fe-SiO с кластерной структурой // ФТТ.-1985.-Т.27.-N 11.- С. 3222-3229.

27. Балаев А.Д., Кирко В.И., Кузовников A.A., Овчаров В.П., Хрусталев Б.П. Массивные аморфные ферромагнетики, по-

лученные взрывным прессованием из металлического порошка и диэлектрика // Письма в ЖТФ.- 1984.- Т.10.- N 21.-С. 1329-1333.

28. Хрусталев Б.П., Балаев А.Д., Катрухин С.К., Кирко В.И., Кузовников А.А., Овчаров В.П. Массивные аморфные ферромагнетики на основе металлического аморфного порошка и диелектрика // Digestез of the Intern. Syirp. on Magnet, of Amorphous Materials, Balatonszeplak, Hungary.-1985.-Г. 22-23.

29. Хрусталев Б.П., Поздняков В.Г., Фролов Г.И., Яков-чук B.D. Температурная зависимость намагниченности и спин-переориетационный переход в аморфных пленках Dy-Co // ФГТ.- 1989.- Т. 31.- В. 3.- С. 112-118.

30. Фиш Г.И., Хрусталев Б.П., Фролов Г.П., Яковчук В. Ю. Ферримагптиный резонанс в пленках Dy-Co в области спин-переориентационных переходов // ©ТТ.- 1986.- Т.28. - N. 7.- С. 2205-2207.

31. Фиш Г.И., Вершинина Л.И. Склюев С.З., Фрорлов Г.И., Хрусталев Б.П., Яковчук B.D. Особенности ориентационных фазовых переходов в аморфных пленках Dy-Co // ФТТ.-1988.- Т. 30.- N 4.- С. 1224-1226.

32. Khrustalev В.P., Pish G.I. Orientational Phase Transition (OPT) in Dy-Co Amorphous Films in the Range of Magnetic Compensation. - Proc. Intern. Conf. on Phys. of Transition Metals, (Kiev, 1988), Naukova Dumka, 1989 part 2, pp. 368-371.

33. Fish G.I., Vershinina L.I., Sklyev S.Z., Frolov G.I., Khrustalev B.P., Jakovtchuk V.J. The Peculiarities of Orientational Phase Transitions in Amorphous Dy-Co Films // The 4-th Joint ШИ - intermag Conf., Canada.-1988.- P. 97-98A.

34. Pish G.I., Khrustalev B.P., Juevak V.I. FMR-investi-gation of Re-orientation in Amorfous Dy-Co Films // The 12-th Intern. Colloq. on tiagn. Films and Surfaces, France, Abstr.- P. 424-425.

35. Хрусталев Б.П., Поздняков В.Г., Фролов Г.И. Эффект Холла и переход в неколлинеарное состояние в аморфных пленках Dy-Co в сильных магнитных полях // ФГТ.- 1993.Т .¿f.- N А .-С. -3ÏÏ- 9Z4

36. Khrustalev В.P., Pozdnyakov Y.G. Spin-reorientatis Transition In Amorphous Dy-Co Films in High Magnetic Fields // Sol. St. Comm.- 1993.- V. 85.- N 9.- P. 763 --765.

37. Yelmanova Y.A., Khrustalev B.P., Balaev A.D. Transition from low-Spin to High-Spin States in Clusters of Poli-merized Acetylacetonate of Pe^t// Sol. St. Comm.-1982.-V. 43.- N 3.- P. 175-177.

38. Podoprigora Y.G., Gunyakov Y.A., Remizov I.A., Shaba-nov Y.F.. Khrustalev B.P. Interaction Energy and NCL Molecular Alignment on the Single Cristal Substrates // The 8-th biguid Crystal Conference of Socialist Countries., Krakov, Poland, 1989, P. D40.

39. Podoprigora Y.G., Gunyakov Y.A., Parshin A.M., Khrustalev B.P., Shabanov Y.I?. Liquid Crystals on the Solid State Surface - The Determination of Anchoring Energy Under an Appllied Magnetic Field // Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 1991.- Y. 209-- P. 117-121.

40. Гуняков В.А., Подопригора В.Г., Паршин A.M., Хрусталев В. П., Шабанов В.Ф. Измерение энергии сцепления гладкого кристалла с поверхностью подложи в сильном магнитном поле // Поверхность.- 1992.- N 2.- С. 69-72.

41. Aleksandrov K.S., .Yasilyev A.D., Zwegintsev S.A., Pet-rov M.I., Khrustalev B.P. Peculiarities of the Resistive State of the (Y.Lu^BagCu^O,^^ Superconducting Ceramics // Phyeica C.- 1988.- Y. 165.- P. 249-250.

42. Петров М.И., Попов Г.В., Сихвер М.-Т.А., Фролов Г.И., Хрусталев Б.П. Вращательный момент и его релаксация в керамиках (Y-Lu^Ba^u^O,^ // СФХТ.- 1990.- Т.З.- К7.-С. 1461-1466.

43. Petrov M.I., Krivomazov S.N., Khrustalev B.P., Aleksandrov K.S. A stady of the Hysteresis Property of the Current-Yoltage Characteristic in High-Temperature Superconductors // Sol. St. Comm.- 1992.- Y.- 82.- N 6.-P. 453-456.

44. Бадаев А.Д., Быков А.Б., Демьянец Л.Н., Иванова Н.Б., Овчинников С.Г., Хрусталев Б.П., Чернов В.К. Корреляция электронных и магнитных свойств La^CuO^ // ЖЭТФ.-1991.- Т. 100.- N 4(10).- С. 1365-1369.