Barkhausen-zaj vizsgálata FINEMETtípusú szalagokban Eszenyi Gergely Témavezető: Dr. Beke Dezső
DEBRECENI EGYETEM Fizika Tudományok Doktori Iskola Debrecen, 2012
Áttekintés •I. Célkitűzés •II. Előzmények és a mérési módszer •
1. Barkhausen-zaj
•
2. Hatvány függvény viselkedés
•
3. A mérési metodika és a kísérletek leírása
•III. Milyen anyagokon végeztem a méréseket •IV. Mérési eredmények (és azok diszkussziója) •V. Összefoglalás
II. 1. Barkhausen-zaj
II. 2. Hatvány függvény viselkedés • A jeleket leíró x paraméter P(x) gyakorisága és értéke között az alábbi összefüggés áll fenn: P(x) = x-βexp(-x/x) Ha x pl. a csúcsok magassága, h, akkor P(h)= N(h+∆h)/Nössz
A csúcsterület (A) és csúcsenergia Csúcsterület és csúcsenergia t
v
A=∫ u ( t ) dt tk
t
v 2
E=∫ u ( t ) dt tk
Önhasonló Barkhausen jelek
III. Finemet típusú anyagok: jellemzők és alkalmazás • Nagy telítési mágnesezettség • Nagy permeabilitás • Alacsony mag veszteség • Alacsony magnetostrikció • Kiváló nagy frekvenciás jellemzők • A B-H görbe alakja hőkezeléssel kontrolálható • Elektro Mágneses Interferencia szzűrők, közös módusú fojtók, mágneses árnyékoló lemezek, árammérők, mágneses szenzorok
III. Előállítás • Az amorf fémüveg szalagot Fe, Si, B és kis mennyiségű Cu és Nb olvadt elegyéből gyors hűtéssel állítják elő • Az előnyös mágneses tulajdonságokat a nanokristályos/amorf hányad változtatásával érik el tipikusan 500 és 600°C közötti hőmérsékleten történő hőkezelésekkel
A mérési metodika és a kísérletek leírása Mechanikai érzékenység:
Δμ=
(
)
( μkiind −μ ε ) μkiind
ε
A mágneses Barkhausen-zaj mérő egység felépítése
IV. Kísérleti eredmények 1) Korreláció különböző módon hőkezelt FINEMET-típusú mintákon mért Barkhausen-zaj zajszint paramétere/energiája és a minták mechanikai érzékenységi paramétere között 2) Korreláció különböző FINEMET-típusú mintákon mért Barkhausen-zaj teljesítmény frekvencia eloszlás függvénye és a minták mechanikai érzékenységi paramétere között 3) Barkhausen-zaj paraméterek a mágnes indukció különböző értékeinél amorf szalagon
IV. 1. Vizsgáltam a maximális hőkezelési hőmérséklet FINEMET-típusú szalagokra gyakorolt hatását Csúcsterület, A, és csúcsenergia, E, eloszlás görbékből kapott exponensek alkalmasnak bizonyultak a különböző minták összehasonlító vizsgálatára. Az eloszlás görbék szisztematikus változást mutattak a maximális hőkezelési hőmérséklettel.
Barkhausen-zaj csúcsok területének eloszlás görbéi a különböző hőmérsékletű hőkezeléseket követően.
A legmagasabb és legalacsonyabb zaj szint, plusz a kiindulási állapot
A zaj szint és az egy gerjesztési ciklus során disszipált zaj energia a mechanikai érzékenység függvényében
IV. 2. • Korreláció vizsgálata FINEMET-típusú szalagok mechanikai érzékenység paramétere és a teljesítmény frekvencia eloszlás függvénye, S(f), között • A teljesítmény frekvencia eloszlás függvény a megszűrt (csak a det. szint feletti csúcsok) zaj spektrum gyors Fourier-transzformáltja
dΦ dB S (f )≈ ≈ dt dt S(f) integrálja (-∞ és +∞ között) a teljes zajteljesítmény
IV.2. • Az összehasonlításához, az S(f) görbéket dB/dt-vel (minta mágnesezési sebességel) lenormálva kell ábrázolni vagy
- t állandó értéken kell tartani.
dB dB dH dH = =μ dt dH dt dt
Különböző mechanikai érzékenységű hőkezelt minták Barkhausen-zaj teljesítmény frekvencia eloszlás függvényei dM/dt (=dB/dt)= 0.2 T/s mágnesezési sebességnél
Korreláció a minták mechanikai érzékenysége és a teljesítmény frekvencia eloszlás függvénye között f = 200 Hz-nél és f = 4 kHz-nél
Ez az eredmény azért is érdekes,mert Kupferling et.al.1 (2008) azt kapták, hogy konstans alacsony illetve magas frekvenciához tartozó S(f) értékek ellentétes függést mutattak a minták mechanikai (deformáció illetve feszültség) paramétereitől. Ezt a frekvenciafüggő Barkhausen-információs mélységgel magyarázták. 1
J. Magn. Magn. Mater,. 320 (2008) 527
IV. 3. pont Előzmények: • A mágnesezési görbe egyik ágán telítéstől telítésig végighaladva különböző mechanizmusok járulhatnak hozzá a Barkhausen-zaj létrejöttéhez. A koercitív tér (B=0) körül a permeabilitás megközelítőleg konstans és a zaj statisztikák stacionáriusnak tekinthetők (domén fal mozgás véletlen akadályok terében) • Polikirstályos Fe(Si) ötözeteken végzett méresekben a zaj adatokat egy szűk B intervallumban gyűjtötték. A mágnesezési görbe fél ágán telítéstől telítésig haladva dB/dt-t állandó értéken tartva azt kapták, hogy a zaj teljesítmény széles minimumot mutatott B=0 körül és két élesebb csúcsot a mágnesezési görbe könyök pontjai körül. • Ref.: G. Bertotti, F. Fiorillo, M.P. Sassi: Barkhausen noise and domain structure dynamics in Si-Fe at different points of the magnetization curve. J. Magn. Magn. Mater. 23, 136–148 (1981)
A maximumok új domének létrejöttéhez, vagy meglévő domének megsemmisüléséhez tartozó nagyskálájú instabilitásokat tükröznek.
G. Bertotti, Hysteresis in Magnetism, Academic Press Inc., San Diego, (1998) 296.o.
Érdemesnek látszott hasonló méréseket végzeni amorf FINEMET szalagokon is
A gyűrű alakú mintán mért hiszterézis görbe, a B tengely az észlelési ablakoknak megfelelően felosztva, a fekete négyzetek jelölik az észlelési ablakok határait, a piros körök a egyes észlelési ablakok középpontjait
Teljesítmény frekvencia eloszlás görbék különböző észlelési ablakokban
Átlagos Barkhauusen-zaj teljesítmény • Kiszámolható S(f) integráljából, illetve az energia eloszlásból: T
1 2 〈P 〉= ∫ U ( t ) dt T0
Barkhausen-zaj átlagos teljesítménye az észlelési ablakok középpontjainak függvényében a mágnesezési görbe mentén negatív telítéstől pozitív telítésig haladva és fordítva
B=0.175 T negatív telítéstől pozitív telítésig
B=-0.175 T, pozitív telítéstől negatív telítésig
Barkhausen csúcsterület eloszlás függvények exponensei az észlelési ablakok középpontjainak függvényében a mágnesezési görbe mentén negatív telítéstől pozitív telítésig haladva és fordítva
Eredmények I. • A zaj paraméterek eloszlás függvényei jó közelítéssel leírhatók a P(x)~x-a formájú hatványfüggéssel • Hasznos korrelációt sikerült megállapítanom a zaj paraméterek és a mechanikai érzékenység között.
Eredmények II. •S(f) kis és nagy frekvenciás része korrelációt mutat a mechanikai érzékenységgel •Ez a korreláció hasonló az egy gerjesztési ciklusra jutó teljes disszipált Barkhausen-zaj energia és a mechanikai érzékenység között észlelt összefüggéshez •S(f) vizsgálata is alkalmas lehet roncsolásmentes anyagvizsgálat céljára FINEMET-típusú szalagok (mint ipari termék) előállításakor. Érdekes, hogy állandó kis ill. nagy frekcvencián vett S(f) érték hasonlóan függ a mechanikai érzékenységtől.
Eredmények III. • A zaj teljesítmény a mágneses indukció függvényében B=0 körül széles minimumot és a mágnesezési görbe könyök pontjai körül két élesebb csúcsot mutatott. • A Barkhausen-zaj teljesítmény mindig nagyobb új domének létrejöttekor és jóval moderáltabb csúcsot ad a szorosan orientált domének eltűnésekor ● A csúcsok csúcsszélesség, csúcsterület és csúcsenergia paramétereinek valószínűségi eloszlásai, jól leírhatók a P(x)~x-a hatvány függvénnyel messze a B=0 ponttól is.
Publikációim jegyzéke [1] Harasztosi Lajos, Szabó István, Daróczi Lajos, Szabó Sándor, Erdélyi Zoltán, Balogh Zoltán, Eszenyi Gergely, Mojzes Imre, Beke Dezső: Részletes zaj-analízis előnyei Barkhausen-zaj mérések alkalmazásaiba, Anyagvizsgálók lapja (2006/4) IF:0 [2] G. Eszenyi, S. Szabó, L. Harasztosi, F. Zámborszky, J. Nyéki, Z. Erdélyi, D.L. Beke: Correlation between Barkhausen noise and mechanical sensitivity in FINEMET-type materials, J. Mater. Res., 24, No. 1, 130-134, (2009) IF:1.667 [3] G. Eszenyi, S. Szabó, L. Harasztosi, F. Zámborszky, J. Nyéki, Z. Erdélyi, D. L. Beke: Barkhausen-noise and mechanical sensitivity in FINEMET-type materials, Journal of ELECTRICAL ENGINEERING 59, NO 7/s, 66-69, (2008) IF:0 [4] G. Eszenyi, A. Bükki-Deme, L. Harasztosi, F. Zámborszky, J. Nyéki, Z. Erdélyi, D.L. Beke, I.A. Szabó: Spectral density of Barkhausen noise in FINEMET-type materials, J. Magn. Magn. Mater. 322, 322-325, (2010) IF:1.689 [5] L. Daróczi, G. Eszenyi, Zs. Molnár, D. L. Beke, A. Bükki-Deme; F. Zámborszky: Effect of excitation parameters on the Barkhausen noise in FINEMET-type amorphous ribbons, submitted to J. Magn. Magn. Mater, (2012)
Konferenciák – Poszterek: 2007 Október, Balatonkenese, Magyarország: V. Országos Anyagtudományi Konferencia - G. Eszenyi, S. Szabó, L. Harasztosi, F. Zámborszky, J. Nyéki, D. L. Beke: Barkhausen-noise measurements on industrial FINEMET-type materials 2008 Október, Budapest, Magyarország: Magnetic Measurements 2008 Conference - G. Eszenyi, S. Szabó, L. Harasztosi, F. Zámborszky, J. Nyéki, D. L. Beke: Barkhausen-noise and mechanical sensitivity in FINEMET-type materials 2009 Október, Balatonkenese, Magyarország: VII. Országos Anyagtudományi Konferencia - G. Eszenyi, L. Harasztosi, F. Zámborszky, J. Nyéki, Z. Erdélyi, D.L. Beke: Effect of thickness on spectral density of Barkhusen noise in amorphous Fe-based and Ni ribbons
Nem az értekezés témakörében megjelent poszter: 2011 November, Budapest, Magyarország: Régésztei konferencia -Káli György, Sánta Zsombor, Eszenyi Gergely, Rosta László Nagy felbontású repülési idő neutron-diffraktometria (TOF-ND) alkalmazási lehetőségei archeometallurgiai vizsgálatokban
Köszönetnyílvánítás Témavezető: Dr. Beke Dezső A DE Szilárdtest Fizika Tanszék munkatársai Magnetec Ungarn munkatársai
•
A doktori értekezés elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
•
The work was supported by the TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 project. The project is co-financed by the European Union and the European Social Fund.
