高压下铁磁性物质磁性测量系统的研究

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作者王鑫
来源吉林大学
出版年2014
摘要
高压科学作为目前比较前沿的研究领域,受到了广泛的关注。压力已经成为实验室中研究物质性质的重要手段之一。压力能够改变物质原子之间的相互作用力,使得物质的结构以及性质发生变化,有些时候还会出现物质的相变,这极大地拓宽了物理学、材料学和地质学等学科的研究范围。金刚石对顶砧作为一个稳定、可靠的压力产生装置帮助科研人员发现了很多关于物质在高压下的新奇现象。而且随着相关技术的发展,金刚石对顶砧已经能够与大多数的精密测量设备相结合,联合进行实验,实现了对加载高压的样品的结构及性质进行精密测量。基于此,关于高压下物质的结构、热学性质、力学性质、光学性质、电学性质等方面的研究发展比较迅速且取得了很多可喜的成果。但是由于样品尺寸及测量设备的限制,高压下物质磁性的研究进展比较缓慢。磁性是物质普遍且重要的性质,从微观粒子到宇宙天体,所有的物质都具有不同程度的磁性。铁磁性是一种独特的磁性,它除了具有较高的磁导率外,还在被磁化的时候呈现出磁滞现象,因此铁磁性材料一直是磁性研究中非常重要且备受关注的研究对象。在地壳层中富含大量的铁磁性及亚铁磁性矿物质;在地幔层中也含有大量的钛铁矿、铬铁矿及含铁元素的矿物质;在地核中,铁、镍是主要的组成重金属。因此研究铁磁性物质在高温高压下的磁性,对于了解地球内部物质的磁性起到了极其重要的作用。目前高压下物质磁性的研究主要围绕着高压下铁磁性物质的磁性在固定压力下随温度的变化展开的。我们试图探索一种新的基于金刚石对顶砧的高压下铁磁性材料磁性测量的方法,以期能够对在固定温度下,对铁磁性材料磁化曲线与压力的关系进行测量。这个工作涉及到高压技术、磁性测量和微弱信号检测技术等多个领域,是一个综合性的交叉课题。在论文中,对测量高压下铁磁性物质磁化曲线的测量系统进行了描述,对影响测量灵敏度的因素进行了详细分析。并使用搭建的基于金刚石对顶砧的高压下铁磁性物质磁性测量系统原型机对室温下,首次对铁在25GPa下的磁化曲线进行了测量。我们所设计的高压下铁磁性材料磁性测量系统基于电磁感应原理,使用在直流磁场上叠加小的交流磁场的方法,通过双感应线圈、单激励线圈互感的测量方案,测量在不同压力下,小样品的增量磁化率随外部直流磁场的变化,并通过计算得出样品在不同压力下的磁化曲线。对样品在不同压力下的磁化曲线进行比较即可得到铁磁性物质在压力作用下的磁性转变信息。对小样品的增量磁化率进行测量是极富挑战性的,因为样品的尺寸太小,如此小的样品所感应出的感应电动势往往被淹没在大的背景噪声中,这导致测量的信噪比非常的低。为了提高测量的灵敏度以及测量系统的稳定性,我们对测量系统的原理进行了详细的阐述和分析,并基于测量原理,提出了检测探头的理论模型。该理论模型对小的交流磁场的产生,样品磁化率对输出信号的影响,线圈参数对输出信号的影响,背景噪声的抵消等做出了详细的分析,并最终将所有对测量有影响的参数总结在一个公式中。根据总结的公式,对所有影响测量系统灵敏度和稳定性的参数逐一进行分析,提出了提高测量灵敏度的方法和可能性,总结出了适合我们的实验条件的最优参数并尝试性地提出了一般条件下最优参数的确定办法。根据所总结出的最优参数,搭建了基于金刚石对顶砧的高压下铁磁性物质磁性测量系统的原型机,对原型机的性能进行了简要的分析。利用所搭建的原型机对铁在高压下的磁性进行了测量,得到了不同压力下的铁的磁化曲线。对文献中关于铁的高温高压相图、铁在室温下的压致→相变进行了介绍。通过对使用其他方法测量到的铁的压致→相变结果与使用我们所搭建的原型机所得到的结果进行比较,验证了系统的可信度。实验结果发现,铁的压致→相变伴随着磁性的转变;磁性转变的开始点在11.5GPa附近,磁性转变持续8GPa左右,在19.6GPa附近结束;而且磁化曲线的形状表明相的铁既不是原来的铁磁性也不是顺磁性。

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