SOMI XVIII Congreso de Instrumentación ELECTRONICA VBG1885 SISTEMA DE MEDICIÓN DE SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA AC

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1 SOMI XVIII Congreo de Intrumentión SISTEMA DE MEDICIÓN DE SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA AC E. R. Vázquez Cerón, J. A. Aguillón Armijo, A. Y. Velázquez Cadena, V. R. Barrale Guadarrama, N. Reye Ayala, E. Rodríguez Rodríguez, R. Barrale Guadarrama. Univeridad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco. Departamento de Electrónica. Laboratorio de Optoelectrónica. RESUMEN Se decribe la intrumentión de un uceptómetro de baado en el método de inductancia mutua y la técnica loc - in. E poible detectar una parte por millón de material volumétrico magnetizable. Mide la componente real e imaginaria de la uceptibilidad magnética compleja. A partir de lo dato experimentale e pueden obtener propiedade uperconductora tale como: temperatura crítica (T c ), intervalo de temperatura ( T) durante la tranición, denidad de corriente crítica (J c ) y reitividad eléctrica (ρ). Permite eleccionar la enibilidad y la contante de tiempo del filtrado para obtener regitro fiable. ABSTRACT We decribe the intrumentation of an a.c uceptometer it upport in the mutual inductance method and the loc-in technical. There i poibility to detect a part per millon of magnetic volumetric material. It meaure the real and imaginary component from the complex uceptibility with the experimental date can be to ue to obtain uperconductivity propertie jut a: critical temperature (Tc), interval temperature ( T) during the tranition, critical denity current (Jc) and elecrtrical reritivity (ρ). It permit to elect the enibility and the time contant of filtrate to obtain reliable record. INTRODUCCIÓN A partir del decubrimiento de la uperconductividad en lo materiale cerámico uperconductore de alta temperatura crítica (SATC), en 1986, e comenzaron a utilizar técnica de inducción mutua en la carterizión de la uceptibilidad magnética de eta nueva clae de uperconductore. Junto con la técnica han aparecido dicuione controveriale aociada con la medición de la uceptibilidad magnética. La controveria e entorno a la interpretión de la medida de la uceptibilidad, dado que lo ftore que intervienen on vario, depende tanto de la morfología microcópica de la muetra como de la carterítica propia de lo uperconductore. Cuando aplicamo un campo magnético de baja intenidad a un material, éte dearrolla un momento magnético proporcional al campo. E por ello que e útil medir la uceptibilidad magnética χ m, definida como M χ m H. Para eta condición M e paralelo a H y e encuentra que la magnetizión inducida (momento magnético por unidad de volumen) e proporcional al campo magnético. Donde M e la magnetizión de un material por unidad de volumen y H e la fuerza magnetizante, proporcional a una corriente eléctrica inducida por un campo magnético externo, que promueve una cantidad magnética, en un punto epecífico.

2 SOMI XVIII Congreo de Intrumentión En película delgada uperconductora e útil medir la uceptibilidad magnética para evaluar u calidad y de eta manera conocer i la película tiene lo requerimiento para er utilizada en la fabrición de dipoitivo (SQUID). Eto e traduce en conocer u Temperatura crítica (Tc), la temperatura de tranición uperconductora ( T), la denidad de corriente crítica (Jc), la reitividad (ρ), denidad de unione Joephon, homogeneidad etequiométrica, exitencia de má de una fae y para etimar la frción uperconductora. Carterítica del montaje El itema eta baado en el método de inductancia mutua y en la técnica loc in. El dipoitivo eta contituido por do bobina coaxiale (ecundaria) enible a la magnetizión inducida en u núcleo, interconectada y embobinada en entido contrario, cada una de eta bobina conta de 48 vuelta de alambre magneto AWG36. La bobina externa (primaria), de igual forma, eta contituida por do bobina interconectada y embobinada en entido contrario en un mimo batidor, cada una de la cuale conta de 1235 vuelta de alambre AWG24. En la figura 1 e muetran la bobina interna y externa. El itema de bobina coaxiale eta colocado en el interior de un dedo frío, para poder controlar la temperatura en una rango de 75 K a 3 K. Figura 1. Fotografía de la bobina. Bobina ecundaria (Izquierda). Bobina primaria (Derecha). Principio de operión El dipoitivo experimental he uo del efecto Meiner. El campo externo aplicado induce una corriente eléctrica en la uperficie del material uperconductor. Dicha corriente genera un campo que impide que el campo externo inicial penetre al material, produciendo un aumento de la denidad de flujo muy cerca de la uperficie de la muetra. Ete aumento inducirá un voltaje, en la bobina que contiene a la muetra. Ete voltaje promoverá una diferencia de potencial total del itema de bobina ecundaria. Entonce, la diferencia de potencial de alida inducido en la bobina ecundaria, e proporcional a la denidad de flujo externo a la muetra y e relionado a la propiedade magnética del uperconductor. El campo externo e aplica uando la bobina primaria, la cual contiene coaxialmente a la bobina ecundaria. El experimento permite obtener la uceptibilidad magnética compleja utilizando la técnica loc-in para detectar el voltaje inducido en la bobina ecundaria. El generador

3 SOMI XVIII Congreo de Intrumentión de funcione e utiliza para aplicar al loc - in una eñal de referencia, la cual e necearia para poder uprimir el ruido eléctrico de fondo, aí como el originado por la eñal de la línea y la de u armónica. La eñal proveniente de la bobina ecundaria e enviada al loc - in. Éte compara amba eñale, la de referencia y la de la bobina ecundaria, y a la alida e obtiene una eñal de corriente directa, reultado de la diferencia de amba eñale, con una ganancia 1 6 V/A y libre de ruido. Al mimo tiempo, la bobina primaria e alimentada con la eñal del generador de funcione, y e amplificada para poder tener la magnitud de lo campo magnético externo apropiado para la medición de la uceptibilidad, figura 2. El objeto de que la eñal de referencia aplicada al loc -in y la eñal del campo magnético externo etén oplada e para garantizar que efectivamente e midan la diferencia de voltaje inducida en la bobina ecundaria, producto de lo cambio en la denidad de flujo alrededor de la muetra. Figura 2. Se muetran lo intrumento que componen un uceptometro de A. C., a lo cuale e le pueden adicionar otro intrumento como ocilocopio, multimetro, monitor de temperatura, etc. La eñal e monitoreada y regitrada por un itema de automatizión baado en LabView. Suceptibilidad y magnetizión La magnetizión de la muetra etá dada por: M χhco(wt θ) (1), donde co( θ) H repreenta el campo magnético externo aplicado tanto a la muetra como a la bobina ecundaria, χ e la uceptibilidad magnética compleja, θ e el ángulo entre el vector de magnetizión y el de campo aplicado.

4 SOMI XVIII Congreo de Intrumentión Y ademá el flujo magnético e ecribe como B H co ( φ ), donde φ e el defaamiento total entre el campo H y el voltaje inducido en la bobina ecundaria, al cual e enible el amplificador Loc-in. El cambio de la magnetizión en el tiempo ería dm 1 db dh (2), el egundo término a la derecha del igual lo eliminamo con el uo de la do bobina ecundaria. La bobina ecundaria reponde con un voltaje V V en ( φ ). Ete voltaje e cenado por el loc-in y regitrado por el LabView. db V ( V coφenω t V enφcoω t ) Por ley de Faraday tenemo, donde Nπ r2, N e el número de vuelta de la bobina ecundaria y r e u radio. Ahora diferenciando la ec. (1) repecto del tiempo tenemo: dm χ co θen + χen θco (3) H ( ) Uando la ec. (3) tenemo la iguiente igualdad: ( V coφ en ω t V en φ co ) χcoθen + χen θco χcoθ en ωe+ χen θ co ωo Agrupando término: y ( V co φen ωev en φco ωo) V co φ χcoθ H (5) χenθ V enφ H (6) Eta do última expreione on conocida como la componente real e imaginaria de la uceptibilidad magnética. Hay que realtar que eta ecuione etán en función de parámetro conocido y/o menurable. M χhco θ, donde la Finalmente, la magnetizión la podemo ecribir como ( ) uceptibilidad magnética χ puede er ecrita como ( χco θ) 2 + ( χenθ) V χ 2, y por lo tanto H ( - θ ) V co M (7). K Debido a que el loc-in no da el valor RMS de la eñal, M etará dada por: M 1 K V (8) Aí, la técnica de medición baada en la inductancia mutua y la técnica loc-in, permite medir la magnetizión M y la uceptibilidad magnética compleja χ del material uperconductor conociendo únicamente la diferencia de potencial inducida en la bobina ecundaria. (4)

5 SOMI XVIII Congreo de Intrumentión La figura 3, muetra una grafica de voltaje v. Temperatura. El voltaje graficado e el inducido en la bobina ecundaria y éte e proporcional a la uceptibilidad magnética del material. Figura 3. Gráfica del voltaje inducido en la bobina ecundaria en función de la temperatura de una película delgada uperconductora de YBaCuO. Concluión Se decribe el dieño y operión de un itema de medición de uceptibilidad magnética para er utilizado en la carterizión de película delgada uperconductora. El dieño del uceptómetro eta baado en el método de inductancia mutua y conite de do bobina idéntica con enrollamiento en entido contrario, la cuale on excitada por un campo magnético externo, proveniente de otra bobina dieñada en forma imilar. La carterítica má obrealiente de ete dieño e que permite la medición de la uceptibilidad magnética compleja. La parte real ( χ ) repreenta la componente en fae y la parte imaginaria ( χ ) la componente fuera de fae, que pueden er medida en forma independiente utilizando el LABVIEW. El uceptómetro e capaz de medir el momento magnético polar con una enibilidad de A m 2. El modelo de uceptibilidad en el que eta baado la técnica e fundamentada en la teoría electromagnética aplicada a lo ólido. Referencia M. I Youif, a. Bahgad and I. A. Ali. Egipt. J. Sol., (23), (2), (2), S. Muherjee, A. Cheravarti and R. Ranganathan. Rev. Sci, intrument, (68), (7), (1997),