Arten von Magnetometern

Dieser Leitfaden auf hoher Ebene stellt gängige Arten von Magnetometern vor, darunter Skalar-, Vektor-, Gradienten- und mehr.

In einem früheren Artikel haben wir die Grundlagen von Magnetometern und einige ihrer Hauptanwendungen vorgestellt. Heute gehen wir noch einen Schritt weiter und werfen einen Blick auf die gängigsten Magnetometertypen.

Skalare Magnetometer

Skalare Magnetometer führen eine genaue Messung des numerischen Werts des Magnetfelds durch. Jeder Typ basiert auf unterschiedlichen physikalischen Phänomenen:

• Hall-Effekt: Die beim Anlegen eines Magnetfelds über einen elektrischen Leiter induzierte Spannung erfassen kann perfekt zum Messen von Magnetfeldern verwendet werden
• Protonenpräzession (PPM): Nutzen Sie die Kernspinresonanz, um die Resonanz von Protonen im Magnetfeld zu messen, indem Sie die in einer Spule aufgrund ihrer Neuorientierung induzierte Spannung messen
• Overhauser: Ähnlich wie Hall-Effekt- und Protonenpräzessions-Magnetometer, verwenden jedoch Hochfrequenzsignale, um die Elektronenspins zu polarisieren

Ein Overhauser-Magnetometer für geophysikalische Anwendungen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Gem System

Vektor-Magnetometer

• Induktiv: Messen Sie das Dipolmoment einiger Partikel, indem Sie den in einigen Detektionsspulen induzierten Strom messen, nachdem die Probe einem veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt wurde
• Fluxgate: Bestehend aus einem Magnetringkern mit mindestens zwei Spulenwicklungen:der Antriebswicklung und der Erfassungswicklung

Fluxgate-Magnetometerwicklungen. Bild mit freundlicher Genehmigung des Imperial College London

• Hall-Effekt: Erzeugen Sie eine Spannung proportional zum Magnetfeld und geben Sie Informationen über deren Modul und Richtung; weit verbreitet für Sensoranwendungen statt zur Charakterisierung magnetischer Materialien
• Mikroelektromechanisches System (MEMS): Erkennen Sie die Bewegung einer Resonanzstruktur mit optischen Mitteln im mikroskopischen Maßstab

MEMS-Magnetometer sind billig und zugänglich. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sparkfun Electronics

Gradienten-Magnetometer

Obwohl jedes Gradientenmagnetometer etwas anders ist, hat jedes ungefähr die gleichen Elemente. Erstens benötigen sie eine Vorrichtung, um ein bekanntes magnetisches Feld zu erzeugen, das abwechselnd oder konstant sein kann. Zweitens benötigen Gradientenmagnetometer eine Quelle für ein alternierendes Gradientenfeld. Schließlich benötigen sie auch elektronische oder optische Mittel, um die resultierende Kraft zu erkennen und zu messen.

Sie verfügen alle über einen Resonanzbetrieb, sodass sich die magnetischen Proben um ihre Resonanzfrequenz bewegen, wenn die maximale Amplitude erreicht ist.

Ein weiterer relevanter Aspekt von Magnetometern ist die Ausrichtung des Magnetfelds. Bei einigen Magnetometern, wie dem des Zijlstra, waren das Wechsel- und das Gleichstromfeld sowohl ausgerichtet als auch vertikal ausgerichtet. Im Gegensatz dazu vibriert beim Magnetometer von Foner die Probe senkrecht zum Magnetfeld, was die Komplexität des notwendigen Setups reduziert.

Vibrierendes Reed-Magnetometer

1970 stellte Zijlstra eines der ersten Magnetometer mit alternierendem Gradienten vor. Es sollte die Beschränkungen früherer Magnetometer überwinden und die vollständige Hysteresekurve magnetischer Materialien messen.

Das Reed-Magnetometer besteht aus einem dünnen Draht, an dessen Ende eine recht kleine zu charakterisierende Probe befestigt ist. Es gibt zwei Spulen, die gegensinnig in Reihe geschaltet oder differentiell gekoppelt sind, um einen Feldgradienten zu erzeugen. Dieses Feld erzeugt eine Kraft auf die Probe und folglich eine Schwingung des Reeds. Da die Bewegung sehr subtil ist, wird die Frequenz der mechanischen Resonanz des Blattes gleichgesetzt, sodass die Bewegung verstärkt und leichter zu erkennen ist. Die Bewegung des Schilfrohrs wird mit einem Mikroskop und einer Stroboskoplampe beobachtet. Wenn der Strom durch die Spulen konstant ist, ist auch das Magnetfeld konstant; die von uns gemessene Bewegung ist proportional zum magnetischen Moment der Probe.

Der auffälligste Unterschied zwischen den Magnetometern von Zijlstra und den vorherigen ist die Empfindlichkeit und auch die Fähigkeit, magnetische Materialien vollständig zu charakterisieren. Um eine vollständige magnetische Charakterisierung zu erhalten, müssen die Proben sehr klein sein, um Unvollkommenheiten zu vermeiden. Das Problem besteht darin, dass Magnetometer, die Proben mit der Größe von Mikrometern charakterisieren können, nur einige magnetische Eigenschaften wie die Remanenz oder die Suszeptibilität charakterisieren können, jedoch nicht den vollständigen Hysteresezyklus .

Vibrierende Probenmagnetometer (VSM)

Die meisten Geräte, die das magnetische Moment messen, haben eine Detektionsspule, die horizontal mit den Spulen ausgerichtet ist, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugen.

Vibrating Sample Magnetometer (VSM), 1959 von Foner erfunden, führten die Neuheit ein, dass die Probenbewegung senkrecht zum angelegten Magnetfeld ist. Foner reduzierte die Komplexität des Setups und vermeidet harte Modifikationen der Magnete.

VSMs sind in vielen Labors vorhanden und im Handel erhältlich.

Ein kommerzielles Vibrationsproben-Magnetometer (VSM). Bild mit freundlicher Genehmigung von Microsense

Kombinierte Wechselfeld-Magnetometer

Es gibt eine dritte Kategorie von Magnetometern, die die Eigenschaften der vorherigen kombiniert; sie sind sogenannte kombinierte Magnetometer. Sie verwenden immer noch zwei Magnetfelder; Anstatt nur ein Wechselfeld und ein weiteres konstantes anzulegen, legen sie jedoch zwei Wechselfelder an. Der größte Vorteil ist die Charakterisierung von Proben sowohl in AC als auch in DC im Vergleich zu VSMs oder anderen Magnetometern, die auf DC-Felder beschränkt sind.

Andere Magnetometer erzeugen ein Magnetfeld mit einer Frequenz gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Probe. Kombinierte Magnetometer erzeugen zwei Magnetfelder, deren Differenz gleich der Resonanzfrequenz ist. Da eines der Magnetfelder auf 0 Hz eingestellt werden kann, kann es perfekt als traditionelles Gradientenmagnetometer arbeiten. Wenn beide Frequenzen variiert werden, arbeitet das Gerät als Suszeptometer, das Oberwellen höherer Ordnung des magnetischen Moments misst. Dieser Magnetometertyp wurde 2015 von Forschern der Technischen Universität Madrid erfunden.