Τι και πως να μετρήσεις - Διατάξεις μετρήσεων

Οι προγραμματιζόμενες γεννήτριες συχνοτήτων δημιουργούν ημιτονοειδείς κυματομορφές του Β . Ένα ημιτονοειδές σήμα για το H μπορεί να επιτευχθεί ευκολότερα χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή εξόδου ρεύματος. Τα συστήματα με ψηφιακό έλεγχο για το Β είναι διαθέσιμα σε εύρος συχνότητες kHz, ενώ τα συστήματα χωρίς έλεγχο-προστασία μπορούν να φτάσουν αρκετές 100 kHz.

Λόγω της αύξησης των εφαρμογών των μαλακών μαγνητικών υλικών διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM: Pulse Width Modulation), το ενδιαφέρον για συστήματα μέτρησης που επιτρέπουν μετρήσεις παρουσία υψηλότερων αρμονικών αυξάνεται. Οι γεννήτριες συχνοτήτων με προγραμματιζόμενες κυματομορφές μπορούν να καλύψουν αυτές τις απαιτήσεις.

Πριν από μια μέτρηση, το δείγμα απομαγνητίζεται με την εφαρμογή εναλλασσόμενου ρεύματος με φθίνον πλάτος.

Ο καταγραφέας AC υστέρησης μπορεί να μετρήσει την καμπύλη της κανονικής μαγνήτισης. Επομένως, το πλάτος του ρεύματος μαγνήτισης αυξάνεται διαδοχικά και χαράσσονται οι αντίστοιχες μέγιστες τιμές της έντασης πεδίου και της πυκνότητας ροής, H και B.

Ο καταγραφέας AC υστέρησης μπορεί επίσης να μετρήσει την καμπύλη της κανονικής μαγνήτισης. Ως εκ τούτου, το πλάτος του μαγνητίζοντας ρεύματος αυξάνεται διαδοχικά και καταγράφονται οι αντίστοιχες μέγιστες τιμές της έντασης πεδίου Η και της πυκνότητας ροής, Β.

Χρησιμοποιείται κυρίως για τα δείγματα σε μορφή δακτυλίου αλλά με κατάλληλες προσαρμογές μπορεί να μετρήσει και ταινίες.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Η μέτρηση της AC μαγνητικής επιδεκτικότητας αξιοποιείται σε πολλές μαγνητικές εφαρμογές νανοσωματιδίων όπως η μαγνητική βιο-ανίχνευση, η μαγνητική υπερθερμία, ο μαγνητικός χαρακτηρισμός των μαγνητικών νανοσωματιδίων και οι μελέτες σταθερότητας σωματιδίων. Για την εξαγωγή όσο το δυνατόν περισσότερων πληροφοριών, είναι πολύ σημαντικό να συνδυάζεται η υψηλή μαγνητική ευαισθησία με το μεγάλο εύρος συχνοτήτων διέγερσης, έτσι ώστε να είναι δυνατή η κάλυψη όλων των μαγνητικών εφησυχασμών που υπάρχουν σε ένα μαγνητικό σύστημα νανοσωματιδίων, για παράδειγμα οι μηχανισμοί Brown και Néel. Οι διατάξεις υψηλής συχνότητας χρησιμοποιούσαν παλαιότερα υλικά υψηλής διαπερατότητας τοροειδούς σχήματος ή επαγωγικές τεχνικές. Με τα συστήματα τοροειδούς σχήματος  καλύπτεται μέχρι και η η περιοχή των GHz, αλλά η μαγνητική ευαισθησία είναι χαμηλή, η τοποθέτηση του δείγματος είναι κάπως περίπλοκο και είναι πολύ σημαντικός ο καθαρισμός της σχισμής μέτρησης στο τοροειδες για ακριβή απόκριση υποβάθρου. Στις επαγωγικές διατάξεις η υψηλότερη αναφερόμενη συχνότητα μέτρησης αναφέρεται στο εύρος του 1 MHz. Με τη χρήση της τεχνικής επαγωγής, με λεπτομερή βαθμονόμηση του πηνίου ανίχνευσης η μαγνητική ευαισθησία μπορεί να είναι πολύ υψηλή, η τοποθέτηση δειγμάτων είναι ευκολότερη και οι μετρήσεις υποβάθρου είναι ακριβείς.

Η διάταξη AC Susceptometer Imego μπορεί σήμερα να μετρήσει δυναμικές μαγνητικές ιδιότητες από 25 kHz έως 10 MHz σε συνδυασμό με υψηλή μαγνητική ευαισθησία. Έτσι, μαζί με το σύστημα μεσαίας συχνότητας DynoMag μετράται με ακρίβεια η AC μαγνητική επιδεκτικότητα στο εύρος συχνοτήτων από μερικά Hz έως 10 MHz με πολύ υψηλή ευαισθησία. Η εταιρία Imego χρησιμοποιεί τις συνήθεις επαγωγικές τεχνικές με βαθμονομημένα διαφορικά πηνία στο κέντρο ενός πηνίου διέγερσης και της κίνησης δειγμάτων εντός του συστήματων πηνίων ανίχνευσης.

Η μέτρηση της AC μαγνητικής επιδεκτικότητας με επαγωγικές τεχνικές είναι ένα πολύτιμο εργαλείο μαγνητικού χαρακτηρισμού για μαγνητικά νανοσωματίδια, για παράδειγμα στη μαγνητική υπερθερμία και για δυναμική μαγνητική ανάλυση μαγνητικών νανοσωματιδίων. Όταν λαμβάνεται υπόψη η κατάλληλη μη γραμμική εξάρτηση πεδίου από τη μαγνήτιση, οι τιμές της ειδικής ισχύος θέρμανσης (SHP: Specific Heat Power) μπορούν να εκτιμηθούν από την καταγραφή της AC μαγνητικής επιδεκτικότητας με καλή ακρίβεια σε σύγκριση με τις μετρούμενες τιμές SHP. Όταν αναλύεται η υψηλής συχνότητας απόκριση της AC μαγνητικής επιδεκτικότητας σε νανοσωματίδια που υπόκεινται σε εφησυχασμό Néel, μπορούν να εκτιμηθούν τα μεγέθη των σωματιδίων ή η μαγνητική ανισοτροπία εάν τα μεγέθη σωματιδίων είναι γνωστά από άλλες ανεξάρτητες τεχνικές ανάλυσης, για παράδειγμα ανάλυση μεγέθους από δεδομένα VSM.

Πηγή κειμένου: DOI : 10.1063/1.3530015

Ο βιομαγνητισμός περιλαμβάνει τη μέτρηση εξαιρετικά ασθενικών  μαγνητικών πεδίων που προέρχονται από βιολογικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπινου σώματος. Τα σημαντικότερα και πιο ευρέως μελετημένα σήματα βιομαγνητισμού είναι το μαγνητοεγκεφαλογράφημα (MEG) και το μαγνητοκαρδιογράφημα (MCG), τα οποία είναι τα μαγνητικά ανάλογα του ΗΕΓ και του ΗΚΓ, αντίστοιχα. Η μελέτη του βιομαγνητισμού ενεργοποιήθηκε με την έλευση του μαγνητόμετρου της συσκευής υπεραγώγιμης  κβαντικής συμβολής (SQUID) στη δεκαετία του 1960. Τα SQUIDs εξακολουθούν να είναι οι πιο ευαίσθητοι εμπορικά διαθέσιμοι ανιχνευτές μαγνητικού πεδίου. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, η τεχνολογία ατομικού μαγνητόμετρου (AM) έχει προχωρήσει σημαντικά και έχουν εμφανιστεί εργαστηριακά πρωτότυπα με ευαισθησία που υπερβαίνει εκείνη των μαγνητομέτρων SQUID. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της διάταξης AM έναντι των μαγνητομέτρων SQUID είναι ότι η AM δεν απαιτεί κρυογενή ψύξη. Εξαλείφοντας την ανάγκη για πολύπλοκο, ακριβό κρυογενικό εξοπλισμό, τα AMs μπορούν να μειώσουν δραστικά το κόστος των οργάνων MEG/MCG. Τα AMs που βασίζονται σε αλκαλικά άτομα που περικλείονται μέσα σε μια κυψελίδα ατμού αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1950. Το 1969, οι Dupont-Roc και συνεργάτες ανέπτυξαν μια έκδοση AM μηδενικού πεδίου με ευαισθησία σχεδόν 10 fT/√Hz. Το 1973, οι Tang και συνεργάτες ανακάλυψαν ένα φαινόμενο, το οποίο οδήγησε στην καταστολή του εφησυχασμού της ανταλλαγής των σπιν σε αλκαλικά άτομα, επιτρέποντας τη συρρίκνωση μεγέθους εξαιρετικά ευαίσθητων AM που λειτουργούν σε χαμηλό μαγνητικό πεδίο. Το 2003, οι Romalis και συνεργάτες χρησιμοποίησαν αυτή την ανακάλυψη για να επιδείξουν μια εξαιρετικά ευαίσθητη AM με διακριτική ικανότητα μικρότερη των femtotesla. Τα AMs που λειτουργούν σε αυτό το καθεστώς αναφέρονται τώρα ως μαγνητόμετρα χωρίς εφησχασμό της ανταλλαγής των spin (SERF). Το 2007, οι Shah και συνεργάτες ανέπτυξαν μια πλήρη έκδοση του SERF AM, χρησιμοποιώντας μια μικροκατασκευασμένη κυψελίδα ατμού σε κλίμακα χιλιοστών και το απλοποιημένο σύστημα ανίχνευσης που αναπτύχθηκε από τους Dupont-Roc και συνεργάτες. Πρόσφατα, αναπτύχθηκε στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) μια ολοκληρωμένη έκδοση του ατομικού μαγνητόμετρου κλίμακας τσιπ SERF (CSAM) που  αποτελεί μια χαμηλού κόστους, συμπαγή AM που είναι μια βιώσιμη εναλλακτική λύση σε ένα μαγνητόμετρο SQUID για εφαρμογές βιομαγνητισμού που απαιτούν συμπαγείς αισθητήρες με υψηλή ευαισθησία. Μέχρι τώρα, οι AMs είτε δεν είχαν επαρκή ευαισθησία είτε ήταν πολύ μεγάλες και περίπλοκες για κλινικές εφαρμογές. Τα σύγχρονα AMs έχουν μέγεθος και ευαισθησία παρόμοια με αυτή των μαγνητομέτρων SQUID και κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας εμπορικά εξαρτήματα με απλές τεχνικές συναρμολόγησης. Έχουν επίσης έναν επακριβώς καθορισμένο ευαίσθητο άξονα και μπορούν να ενσωματωθούν σε μια μεγάλη, πυκνή συστοιχία για τοπολογικές εφαρμογές MEG. Έτσι, είναι κατάλληλα ως χαμηλού κόστους, αναπτυσσόμενοι υποκατάστατες για μαγνητόμετρα SQUID σε διατάξεις βιομαγνητισμού.

Πηγή κειμένου: A compact, high performance atomic magnetometer for biomedical applications, V. K. Shah & R. T. Wakai, Phys. Med. Biol. 58, 8153–8161, 2013.  doi:10.1088/0031-9155/58/22/8153.

Ένα φάσμα EPR μετράται σαρώνοντας το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται στο δείγμα που τοποθετείται σε μικροκυματική κοιλότητας συντονισμού σε σταθερή συχνότητα ≈ 10 GHz. Συνήθως το σήμα ανιχνεύεται με τεχνική διαμόρφωσης μαγνητικού πεδίου, έτσι ώστε το πεδίο συντονισμού να προσδιορίζεται με ακρίβεια ως το πεδίο στο οποίο το σήμα τέμνει τη μηδενική γραμμή βάσης. Ένα κλασσικό παράδειγμα στο οποίο η μέθοδος EPR δείχνει τις δυνατότητες της είναι ο δομικός προσδιορισμός των κενών θέσεων στο Si σε διαφορετικές καταστάσεις φορτίου.

Ένα σημαντικό μειονέκτημα της φασματοσκοπίας EPR είναι η χαμηλή ανάλυση (Δf  ≈ 10 MHz) σε σύγκριση με το NMR (Δf ≈ 50 kHz), το οποίο αποτελεί μειονέκτημα στην ανάλυση σύνθετων ή επικαλυπτόμενων σημάτων. Λόγω της αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων-πυρήνα, η ένταση EPR κάθε υπερλεπτης υφής αλλάζει όταν συμβαίνει πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός στον πυρήνα που είναι υπεύθυνος για αντίστοιχο EPR σήμα. Αυτό το σήμα NMR που ανιχνεύεται από το EPR ονομάζεται ηλεκτρονιακός πυρηνικός διπλός συντονισμός (ENDOR: Electron Nuclear Double Resonance) και αποτελεί βελτίωση της χαμηλής διακριτικής ικανότητας του συμβατικού NMR. Το ENDOR χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση της χωρικής έκτασης του νέφους ηλεκτρονίων που διερευνάται από το EPR.

Σε ημιαγωγούς, μεμονωμένες μαγνητικές ροπές της τάξης 10¹⁴-10¹⁶cm⁻³ μπορούν να ανιχνευθούν από το EPR υπό την προϋπόθεση ότι η πυκνότητα των ελεύθερων φορέων είναι μικρότερη από 10¹⁸cm⁻³ έτσι ώστε τα μικροκύματα να μπορούν να διεισδύσουν επαρκώς στο δείγμα. Στα μέταλλα, η παρουσία ελεύθερων ηλεκτρονίων περιορίζει το βάθος διείσδυσης κάτω από την επιφάνεια του δείγματος λόγω της επίδρασης του δέρματος. Θα πρέπει να τονιστεί ότι τα σήματα EPR μπορούν να ανιχνευθούν μόνο όταν υπάρχουν μη συζευγμένα  ηλεκτρόνια.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Μαζί με την υψηλή μαγνήτιση κόρου και την υψηλή διαπερατότητα, μια άλλη σημαντική ιδιότητα για εφαρμογές υψηλής συχνότητας είναι ο σιδηρομαγνητικός συντονισμός (FMR). Το FMR καθορίζει τη μέγιστη επιτρεπόμενη συχνότητα με την οποία ένα λεπτό υμένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε επαγωγική διάταξη.

Οι μελέτες FMR και σκέδασης φωτός Brillouin (BLS:Brillouin Light Scattering) μας παρέχουν λεπτομερείς πληροφορίες σε κύματα σπιν σε περιπτώσεις που τα μήκη κύματος είναι μεγάλα σε σύγκριση με τη σταθερά πλέγματος. Το FMR ανιχνεύει καταστάσεις σε μέταλλα των οποίων το μήκος κύματος είναι συγκρίσιμο με το βάθος διείσδυσης των μικροκυμάτων (της τάξης των μm). H φασματοσκοπία BLS, περιορίζεται στην επιφάνεια λόγω του οπτικού βάθους διείσδυσης (∼150-200 Å), επιτρέπει τη διερεύνηση λειτουργιών που διαδίδονται παράλληλα με την επιφάνεια με μήκη κύματος του εύρους του ορατού φωτός (~ 0.5 μm). Oι καταστάσεις των κυμάτων σπιν τόσο μεγάλων μηκών κύματος μπορούν να περιγραφούν φαινομενολογικά με τη θεωρία της ελαστικότητας που εφαρμόζεται στην περιγραφή των φωνωνίων.

Το φάσμα FMR αποτελείται από μια μάλλον ευρεία γραμμή, με σχήμα που διαμορφώνεται από τη χωρική κατανομή του φάσματος Fourier του πεδίου μικροκυμάτων, το οποίο διεισδύει στο δείγμα. Σε τέτοια πειράματα, σαρώνεται το εφαρμοσμένο πεδίο και μετράται η απορρόφηση μικροκυμάτων σε σταθερή συχνότητα, δηλ. Συμβαίνει απορρόφηση ενέργειας από τα κύματα σπιν σε ένα μεγάλο εύρος πεδίων.

Υπάρχει μια τεράστια βιβλιογραφία για τον μαγνητικό συντονισμό. Αποτέλεσε τη βάση της πέμπτης εποχής του μαγνητισμού, που προήλθε από την κατανόηση της κβαντικής μηχανικής της στροφορμής και την ανάπτυξη μικροκυμάτων για ραντάρ στον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Το σύστημα συντονισμού είναι ένα σύνολο ελεύθερων ριζών ή ιόντων με μη συζευγμένα ηλεκτρονιακά σπιν σε ηλεκτρονιακό παραμαγνητικό συντονισμό (EPR) –γνωστό και ως ηλεκτρονιακός συντονισμός σπιν (ESR: Electron Spin Resonance). To σύνολο των συζευγμένων μαγνητικών ροπών μπορεί να εμφανίσει σιδηρομαγνητικό συντονισμό (FMR).

Αφού η μαγνήτιση του σιδηρομαγνήτη οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στις ροπές λόγω ιδιοπεριστροφής (σπιν) των ηλεκτρονίων, γ≈ −(e/m_e), οι συχνότητες συντονισμού στο FMR είναι παρόμοιες με εκείνες του EPR.

Το στιγμιαίο πεδίο στο δείγμα είναι ομοιόμορφο σε ένα πείραμα FMR υπό την προϋπόθεση ότι το μήκος κύματος των μικροκυμάτων είναι πολύ μεγαλύτερο από το μέγεθος του δείγματος. Στα 10 GHz, λ=3 cm, όποτε η συνθήκη ικανοποιείται για δείγματα μεγέθους mm. Ωστόσο, η υπόθεση της ομοιόμορφης μαγνήτισης σε όλο το δείγμα δεν ισχύει γενικά καθώς μη γραμμικές μαγνητοστατικές καταστάσεις μπορεί να διεγερθούν. 

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey, Cambridge University Press, 2010.

Πηγή κειμένου: Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, H. KronmÜller and S. Parkin, Volume 1: Fundamentals and Theory, John Wiley & Sons, 2007.

Τα MEMS(MicroElectroMechanical Systems) μαγνητόμετρα δύναμης Lorentz αποτελούν μια εναλλακτική λύση για την παρακολούθηση του μαγνητικού πεδίου με σημαντικά πλεονεκτήματα όπως μικρό μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, υψηλή ευαισθησία, καλή ανάλυση, ευρύ δυναμικό εύρος και χαμηλό κόστος μέσω ομαδικών κατασκευών. Αυτά τα μαγνητόμετρα είναι μικρά και ελαφριά σε σύγκριση με τις συσκευές SQUIDs, τους αισθητήρες πηνίων και τους αισθητήρες οπτικών ινών. Θα μπορούσαν να είναι εμπορικά ανταγωνιστικοί όσον αφορά τους ανισοτροπικούς αισθητήρες μαγνητοαντίστασης (AMR) και τους αισθητήρες γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (GMR) και τις διατάξεις φαινομένου Hall. Ωστόσο, τα μαγνητόμετρα MEMS χρειάζονται περισσότερες μελέτες αξιοπιστίας για να διασφαλιστεί η απόδοση λειτουργίας τους υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες.

Τα MEMS μαγνητόμετρα δύναμης Lorentz λειτουργούν με αισθητήρες με βάση το πυρίτιο, οι οποίοι αλληλεπιδρούν με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και ένα ηλεκτρικό ρεύμα ώστε να παραχθεί μια δύναμη Lorentz στις δομές. Αυτή η δύναμη είναι κάθετη στην κατεύθυνση τόσο του μαγνητικού πεδίου όσο και του ηλεκτρικού ρεύματος. Προκαλεί παραμόρφωση στον αισθητήρα του μαγνητόμετρου που μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας μια χωρητική, πιεζοηλεκτρική ή οπτική τεχνική ανίχνευσης. Προκειμένου να αυξηθεί η ευαισθησία του μαγνητόμετρου συνιστάται η λειτουργία σε κατάσταση συντονισμού. Για αυτό, το ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται με συχνότητα ίση με τη συχνότητα συντονισμού του αισθητήρα του μαγνητόμετρου. Η λειτουργία του αισθητήρα σε κατάσταση συντονισμού μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία του μαγνητόμετρου. Έτσι, το σήμα μαγνητικού πεδίου μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό ή οπτικό σήμα.

Η απόδοση των μαγνητομέτρων MEMS εξαρτάται σε μεγάλη βαθμό από τα υλικά που χρησιμοποιούνται. Αυτά τα μαγνητόμετρα έχουν μονοκρυσταλλικό (SCS) ή πολυπκρυσταλλικό πυρίτιο λόγω των σημαντικών ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Επιπλέον, διαφορετικά υλικά σε μορφή λεπτών υμενίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα μαγνητόμετρα MEMS, παρόλο που τα χαρακτηριστικά τους διαφοροποιούνται με τη διαδικασία κατασκευής τους και τις διαδικασίες επεξεργασίας, όπως συνθήκες εναπόθεσης, ανόπτηση, συσκευή εναπόθεσης και πάχος φιλμ.

Οι ακριβείς ιδιότητες των υλικών-διατάξεων των μαγνητομέτρων MEMS θα πρέπει να είναι γνωστές καθώς προβλέπουν την απόδοσή τους. Οι ιδιότητες του υλικού μπορούν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας δομές μικροκατασκευασμένων δοκιμών στο ίδιο δοκίμιο. Για παράδειγμα, οι τα δοκιμαστικά υλικά χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας του Young, τo λόγο Poisson, το όριο θραύσης, της ανθεκτικότητα θραύσης, την καταπόνηση, τη θερμική αγωγιμότητα και την ειδική θερμότητα.

Πηγή κειμένου: Book High Sensitivity Magnetometers, A. Grosz, M. J. Haji-Sheikh, S. C. Mukhopadhyay, Smart Sensors, Measurement and Instrumentation, Springer International Publishing Switzerland, 2017. DOI 10.1007/978-3-319-34070-8

Η αρχή λειτουργίας του μαγνητομέτρου Mx βασίζεται σε άμεση οπτική μέτρηση της συχνότητας μετάπτωσης Larmor. Οι ατομικές μαγνητικές ροπές οδηγούνται σε μια προσανατολισμένη κατάσταση με κυκλικά πολωμένο φως. Η συγκροτημένη μετάπτωση γύρω από το στατικό μαγνητικό πεδίο που θα μετρηθεί που θα μετρηθεί στη συνέχεια διεγείρεται  με ένα εφαρμοσμένο πεδίο RF στη συχνότητα Larmor. Η απόκριση των ατόμων στο πεδίο παρακολουθείται με οπτικό αισθητήρα. Σε πολλές περιπτώσεις, η άντληση και η ανίχνευση μπορούν να γίνουν με ένα μόνο οπτικό πεδίο που έχει συνιστώσες τόσο κατά μήκος όσο και κάθετα προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Πηγή κειμένου: A compact, high performance atomic magnetometer for biomedical applications, V. K. Shah & R. T. Wakai, Phys. Med. Biol. 58, 8153–8161, 2013.  doi:10.1088/0031-9155/58/22/8153

Ένας τυπικός πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας εκτρέπεται μόνο κατά 0. 001mm υπό δύναμη 10 kN. Η υψηλής συχνότητας απόκριση, συνήθως έως 100 kHz λόγω της μεγάλης ακαμψίας, καθιστά τους αισθητήρες πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου πολύ κατάλληλους για δυναμικές μετρήσεις. Το τυπικό εύρος της βαθμονόμησης για αισθητήρες δύναμης πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου είναι από μερικά N έως 100 MN, με τυπική αβεβαιότητα 0. 3% έως 1% σε πλήρη κλίμακα. Ενώ οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες είναι ιδανικοί για δυναμικές μετρήσεις, δεν μπορούν να εκτελέσουν πραγματικά στατικές μετρήσεις επειδή υπάρχει μια μικρή διαρροή φορτίου εγγενής στον ενισχυτή φορτίου, η οποία προκαλεί μετατόπιση της τάσης εξόδου ακόμη και με σταθερή εφαρμοζόμενη δύναμη.

Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες είναι κατάλληλοι για μετρήσεις σε εργαστήρια καθώς και σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις λόγω των μικρών διαστάσεων τους, του μέγαλου εύρους μέτρησης, της συμπαγούς συσκευασίας και της αντοχής τους σε  υπερφόρτωση (συνήθως κατά >  100% της πλήρους κλίμακας). Μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (μέχρι 350 ^οC) και μπορούν να συνδυαστούν για να διαμορφώσουν τους πολυσυνθέτους αισθητήρες (δυναμόμετρα) για μέτρηση δυνάμεων σε δύο ή τρεις κάθετες κατευθύνσεις.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Το μαγνητόμετρο πρωτονίων (PM) είναι ένα όργανο ανίχνευσης μαγνητικού πεδίου που χρησιμοποιεί τα πυρηνικό φαινόμενο Zeeman (πρωτόνια). Χρησιμοποιείται κυρίως για την ανίχνευση στατικών ή ημιστατικών ασθενικών μαγνητικών πεδίων στην κλίμακα του γεωμαγνητικού πεδίου. Υπάρχουν δύο τύποι λειτουργίας διατάξεων PM: η κανονική και η δυναμική (DNP: Dynamic Nuclear Polarization). Οι διαφορές τους βρίσκονται στον διαφορετικό τρόπο διέγερσης και στη διαδικασία ανίχνευσης. Η κανονική λειτουργία του PM βασίζεται σε διάλυμα δείγματος πλούσιο σε πρωτόνια, όπως η κηροζίνη, κάυσιμο αεροπλάνων, όπου τα πρωτόνια στο διάλυμα ανιχνεύονται άμεσα από το DC μαγνητικό πεδίο. Τα διάλυμα δείγματος, στον αισθητήρα DNP είναι ένα υγρό μείγμα ελεύθερων ριζών και εμπλουτισμένων σε πρωτόνια. Κατά τη λειτουργία, οι ελεύθερες ρίζες πολώνονται πρώτες από το μαγνητικό πεδίο ραδιοσυχνότητας (RF), ενώ τα πρωτόνια πολώνονται στη συνέχεια από τις πολωμένους ελεύθερες ρίζες. Μετά την αφαίρεση της συνθήκης πόλωσης, τα πολωμένα πρωτόνια θα οδηγηθούν σε μεταπτωτική κίνηση με γωνιακή συχνότητα x στο μαγνητικό πεδίο-στόχο, η συχνότητα μετάπτωσης ονομάζεται συχνότητα Larmor που είναι ανάλογη με την ένταση του μαγνητικού πεδίου και το μαγνητικό πεδίο-στόχος υπολογίζεται με τη μέτρηση της συχνότητας Larmor. Το πλάτος σήματος εξόδου της συχνότητας Larmor είναι εξαιρετικά ασθενικό, η μέγιστη τιμή του είναι της τάξης των μV. Επιπλέον, το σήμα αποσβένει εκθετικά με το χρόνο και θα χαθεί στο επίπεδο θορύβου σε χρόνο 1 s, που σημαίνει ότι o λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) είναι πολύ χαμηλός όταν το σήμα ενισχύεται. Είναι επομένως, κρίσιμη, η εύρεση με ακρίβεια της (χαμηλού SNR)  για τη διακριτική ικανότητων των διατάξεων PM.

Πηγή κειμένου: Microfabricated Atomic Magnetometers and Applications, J. Kitching, S. Knappe, V. Shah, P.  Schwindt, C. Griffith, R. Jimenez & J. Preusser, National Institute of Standards and Technology, 2008 IEEE. DOI:10.1109/FREQ.2008.4623107

Πηγή κειμένου: A frequency measurement method based on optimal multi-average for increasing proton magnetometer measurement precision, C. Tan, J. Wang & Z. Li, Measurement 135, 418–423, 2019. https://doi.org/10.1016/j.

Η ευαισθησία των περισσότερων ατομικών μαγνητομέτρων περιορίζεται τελικά από κρούσεις μεταξύ των ατόμων αλκαλίων. Δεδομένου ότι το σήμα από τα άτομα είναι ανάλογο με τον αριθμό των ατόμων, σε χαμηλές αλκαλικές πυκνότητες ο λόγος σήματος προς θόρυβο και, ως εκ τούτου, η ευαισθησία, βελτιώνεται καθώς αυξάνεται η ατομική πυκνότητα (σε σταθερό όγκο κυττάρων). Ωστόσο, σε μια ορισμένη πυκνότητα, οι συγκρούσεις ανταλλαγής ή μηδενισμού του σπιν μεταξύ αλκαλίων ή καταστροφής περιστροφής αρχίζουν να διευρύνουν τον μαγνητικό συντονισμό και το όφελος από τη χρήση μεγαλύτερου ατομικού αριθμού αντισταθμίζεται από το μεγαλύτερο εύρος συντονισμού. Το 1973, ανακαλύφθηκε ότι όταν η πυκνότητα των αλκαλικών ατόμων είναι πολύ υψηλή και η συχνότητα μετάπτωσης Larmor είναι πολύ μικρή (μικρά μαγνητικά πεδία), οι αλκαλικές περιστροφές δεν αποσβένουν πλέον λόγω της ανταλλαγής σπιν αλλά μόνο μέσω πολύ ασθενέστερων διαδικασιών μηδενισμού του σπιν. Το εύρημα αυτό αξιοποιήθηκε πρόσφατα στη μαγνητομετρία: η καταστολή της διεύρυνσης της ανταλλαγής σπιν μπορεί να οδηγήσει στην περίπτωση του ³⁹K  σε διακριτικές ικανότητες έως και εκατό φορές καλύτερες από ό, τι μπορεί να επιτευχθεί υπό συνθήκες διεύρυνσης της ανταλλαγής σπιν. Αυτός ο τύπος μαγνητομετρίας, που είναι γνωστός ως spin-exchange relaxation free (SERF) συμβαίνει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες κυψελίδων και πολύ ασθενικά μαγνητικά πεδία.

Η ευαισθησία αυτού του οργάνου ήταν μικρότερη από 70 fT/√Hz σε συχνότητα σήματος περίπου 100 Hz. Αυτή η ευαισθησία, αν και εξακολουθεί κατά ένα παράγοντα 50 χειρότερη από εκείνη των καλύτερων ατομικών μαγνητομέτρων με βάση το SQUID, συγκρίνεται θετικά με μαγνητόμετρα SQUID υψηλού Tc.. Ωστόσο, το μικρό δυνητικά μέγεθος αυτού του οργάνου και η απλότητα της εφαρμογής του το καθιστούν ελκυστικό για ορισμένες εφαρμογές, όπως φθηνά, ευρέως αναπτυσσόμενα μαγνητοκαρδιολογικά συστήματα. Ορισμένες βελτιώσεις στην ευαισθησία θα απαιτηθούν πιθανώς πριν ένα τέτοιο όργανο μπορέσει να βρει χρήση σε μαγνητοεγκεφαλογραφικά συστήματα.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του μαγνητόμετρου SERF μικροκλίμακας (και γενικότερα όλων των μαγνητομέτρων SERF που έχουν κατασκευαστεί μέχρι στιγμής) είναι ότι φαίνεται να λειτουργεί ως διανυσματικό μαγνητόμετρο, ευαίσθητο μόνο στις συνιστώσες του μαγνητικού πεδίου κάθετα προς τον οπτικό άξονα. Αυτό και η απαίτηση για λειτουργία σε χαμηλά πεδία υποδηλώνει ότι αυτοί οι τύποι μαγνητομέτρων θα είναι χρηστικοί κυρίως  χρήσιμοι σε θωρακισμένα περιβάλλοντα.

Πηγή κειμένου: A compact, high performance atomic magnetometer for biomedical applications, V. K. Shah & R. T. Wakai, Phys. Med. Biol. 58, 8153–8161, 2013.  doi:10.1088/0031-9155/58/22/8153

Πηγή κειμένου: Microfabricated Atomic Magnetometers and Applications, J. Kitching, S. Knappe, V. Shah, P.  Schwindt, C. Griffith, R. Jimenez & J. Preusser, National Institute of Standards and Technology, 2008 IEEE. DOI:10.1109/FREQ.2008.4623107

Το μαγνητόμετρο βαθμίδας εναλλασσόμενου πεδίου (AGM ή AFGM)  είναι μια τροποποίηση του γνωστού ζυγού Faraday που προσδιορίζει τη μαγνητική ροπή ενός δείγματος μετρώντας τη δύναμη που ασκείται σε ένα μαγνητικό δίπολο μέσω μιας βαθμίδας μαγνητικού πεδίου.

Η δύναμη μετράται με την τοποθέτηση του δείγματος σε πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, το οποίο δημιουργεί τάση ανάλογη με την ελαστική παραμόρφωση και, ως εκ τούτου, με τη δύναμη που δρα στο δείγμα. Μέσω ενός εναλλασσόμενου ρεύματος στα πηνία βαθμίδας, της ανίχνευσης της πιεζοηλεκτρικής τάσης και με την κατάλληλη ρύθμιση της συχνότητας της βαθμίδας του πεδίου ώστε να συμπίπτει με τον μηχανικό συντονισμό του δείγματος που τοποθετείται με γυάλινο δειγματοφορέα στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, επιτυγχάνεται πολύ υψηλή διακριτική ικανότητα που προσεγγίζει εκείνη ενός μαγνητόμετρου SQUID υπό κατάλληλες συνθήκες. Το κύριο πλεονέκτημα της τεχνικής AGM είναι η σχετική θωράκιση στον εξωτερικό μαγνητικό θόρυβο και η συνακόλουθη υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο και ο σύντομος χρόνος μέτρησης. Ένα σημαντικό μειονέκτημα είναι η δυσκολία επίτευξης απόλυτης βαθμονόμησης της μαγνητικής ροπής, επειδή το σήμα δεν είναι μόνο ανάλογο προς τη μαγνητική ροπή του δείγματος αλλά και με τον παράγοντα Q του συστήματος δείγμα-δειγματοφορέα-πιεζοηλεκτρικό στοχείο, το οποίο μεταβάλλεται ανάλογα με τη μάζα και τη θερμοκρασία του δείγματος.

Αυτό το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπιστεί με την εισαγωγή ενός μικρού πηνίο βαθμονόμησης στην περιοχή της θέσης του δείγματος. Η αδυναμία ακριβούς καταγραφής του γωνιακού προσανατολισμού του δείγματος σε σχέση με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αποτελεί μειονέκτημα αυτού του οργάνου. Μια διάταξη AGM είναι σχετικά εύκολο να κατασκευαστεί, αλλά είναι επίσης εμπορικά διαθέσιμη. Μπορεί να εξοπλιστεί με κρυοστάτη ή φούρνο για μετρήσεις μεταβλητής θερμοκρασίας.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Μετρητής συνεκτικού πεδίου, 1: δείγμα, 2: σωληνοειδές παραγωγής πεδίου, 3: αισθητήρες πεδίου, 4: ανιχνευτής μηδενικού πεδίου

Ο μετρητής συνεκτικού πεδίου χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του συνεκτικού πεδίου H_cJ. Δεδομένου ότι το συνεκτικό πεδίο εξαρτάται σημαντικά από τη μικροδομή, αποτελεί ένα καλό δείκτης επιτυχούς θερμικής επεξεργασίας του υλικού. Η μέτρηση πραγματοποιείται σε ανοιχτό μαγνητικό κύκλωμα.

Ένα σωληνοειδές χρησιμοποιείται για να μαγνητίσει και να απομαγνητίσει το δείγμα. Η μέγιστη ένταση πεδίου πρέπει να επαρκεί για την επίτευξη τεχνικού κορεσμού, πέρα από τον οποίο η τιμή του συνεκτικού πεδίου παραμένει σταθερή αν αυξηθεί περισσότερο η ένταση του πεδίου. Αυτό μπορεί να ελεγχθεί από μια σειρά μετρήσεων με αυξανόμενες εντάσεις πεδίου. Η κατάλληλη ένταση του πεδίου εξαρτάται από το υλικό και το σχήμα του δείγματος. Τα εμπορικά σωληνοειδή παράγουν πεδία έως και 100-200 kA/m. Κάποιες φορές χρησιμοποιείται ένας πρόσθετος παλμός υψηλότερου πεδίου για κορεσμό.

Το μέγεθος και το σχήμα των μαλακών μαγνητικών εξαρτημάτων συχνά καθιστά αδύνατη την καταγραφή του πλήρους βρόχου υστέρησης. Στην περίπτωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο μετρητής συνεκτικού πεδίου για τον προσδιορισμό του συνεκτικού πεδίου H_cJ. Δεδομένου ότι αυτή η ποσότητα εξαρτάται σημαντικά από τη μικροδομή, είναι ένας καλός δείκτης επιτυχούς θερμικής επεξεργασίας του υλικού. Η μέτρηση πραγματοποιείται σε ανοιχτό μαγνητικό κύκλωμα. Κομμάτι από το Static

Αφού το δείγμα κορεστεί και αναστραφεί η πολικότητα, η ένταση του πεδίου πρέπει να αυξηθεί αργά για να αποφευχθούν σφάλματα λόγω των ρευμάτων eddy στο δείγμα. Ένας αισθητήρας πεδίου ανιχνεύει το διαφεύγον πεδίο (stray field). Για ένα ομοιογενώς μαγνητισμένο δείγμα το διαφεύγον πεδίο εξαφανίζεται στο H_CJ. Μετρητές fluxgate, Ηall ή compensated coils μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ανιχνευτές μηδενικoύ πεδίου. Η τοποθέτηση των αισθητήρων στο σχήμα εξασφαλίζει ότι μετράται μόνο το διαφεύγον πεδίο του δείγματος και όχι το πεδίο που παράγεται από το σωληνοειδές. Κομμάτι από το Static

Παλαιότερα ήταν σύνηθες να ευθυγραμμίζεται το όργανο σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Σήμερα προτιμώνται τα θωρακισμένα συστήματα καθώς είναι πιο εύκολο στην εγκατάσταση και επίσης τα δυναμικά πεδία θορύβου καταστέλλονται. Κομμάτι από το Static

Συχνά υποστηρίζεται ότι οι μετρητές υστέρησης επιτρέπουν τη μέτρηση του συνεκτικού πεδίου ανεξάρτητα από το σχήμα του δείγματος. Για μηχανικά εξαρτήματα, όπως τμήματα ηλεκτρονόμων, το συνεκτικό πεδίο δεν είναι ομοιόμορφο λόγω μηχανικής ή θερμικής επεξεργασίας. Τα σύνθετα εξαρτήματα δεν είναι ομοιόμορφα μαγνητισμένα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο μετρητής συνεκτικού πεδίου παρέχει μόνο μια συνολική τιμή που δίνεται από το διαφεύγον πεδίο (stray field) στη θέση του αισθητήρα.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Τύποι Καταγραφέων υστέρησης: IEC Type A (a), IEC Type B (b), Fahy Simplex (c) 1: δείγμα, 2: πλαίσιο Yoke, 3: ανταλλάξιμα κομμάτια πόλων, 4: πεδίο-παραγωγή πηνίων, 5: πηνίο για B ή J, 6: αισθητήρας για H.

O καταγραφέας DC υστέρησης χρησιμοποιείται για ημιστατικές μετρήσεις υστέρησης σε μαλακά μαγνητικά υλικά. Το δείγμα μπορεί να είναι είτε μια ράβδος με στρογγυλή ή ορθογώνια διατομή ή μια ταινία από επίπεδο υλικό. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από το σχήμα και τις μαγνητικές ιδιότητες του δείγματος. Η μέθοδος Yoke χρησιμοποιούνται γενικά αντί της μεθόδου Ring αν το συνεκτικό πεδίο του υλικού είναι μεγαλύτερο από 50-100A/m. Τα μέγιστα πεδία κυμαίνονται από 50-200 kA/m.

Οι πιο διαδεδομένοι τύποι Yoke είναι οι Α και Β, ενώ υπάρχουν και πολλές άλλες παραλλαγές. Για τη μέτρηση της πυκνότητας ροής Β, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα πηνίο που είναι άμεσα τυλιγμένο στο δείγμα. Στην κοινή πρακτική προτιμώνται συχνά πηνία αντισταθμισμένα πηνία J. Εμφανίζουν μεγαλύτερη αντοχή και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για δείγματα με διάφορες διαμέτρους και σχήματα.

Στον μετρητή διαπερατότητας τύπου Α, το δείγμα περιβάλλεται από το πηνίο που μαγνητίζει. Αυτή η γεωμετρία εξασφαλίζει σχετικά μεγάλες τιμές πεδίου.

Ο τύπος Β μετρητή διαπερατότητας δέχεται δείγματα μήκους 90mm, ενώ το μέγιστο πεδίο περιορίζεται σε 50-60kA/m.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Οι διατάξεις πηνίων Helmholtz χρησιμοποιούνται συχνά για τη μέτρηση της μαγνητικής διπολικής ροπής μόνιμων μαγνητών. Παρέχουν μια μεγάλη χωρική περιοχή με σταθερή ευαισθησία, προσβάσιμη από όλες τις πλευρές. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν μακρά σωληνοειδή. Η εγκατάσταση του πηνίου πρέπει να πραγματοποιείται με προσοχή. Δεν επιτρέπονται μαγνητικά εξαρτήματα κοντά στο πηνίο, καθώς επηρέαζουν το αποτέλεσμα της μέτρησης. Επιπλέον, ένας  AC καταγραφέας υστέρησης χρησιμοποιείται κυρίως για τα δείγματα σε μορφή δακτυλίων αλλά και με κατάλληλες μετατροπές και για μετρήσεις ταινιών. Η διαπερατότητα πρέπει να είναι υψηλή σε σύγκριση με τη διαπερατότητα του δείγματος. Γενικά η μαγνήτιση μετράται χρησιμοποιώντας ένα σύστημα πηνίου, το οποίο πρέπει να αντισταθμιστεί προκειμένου να μετρηθεί η μαγνήτιση Μ αντί της επαγωγής Β. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί διαφορετικές ρυθμίσεις των πηνίων συλλογής. Τέλος,  τα μαγνητο-οπτικά φαινόμενα (φαινόμενο Faraday ή φαινόμενο Kerr, MOKE) είναι πολύ χρήσιμα όταν ενδιαφέρει μόνο το σχήμα του βρόχου μαγνήτισης ή η σχετική μεταβολή της μαγνήτισης με τη θερμοκρασία ή τον προσανατολισμό του ξωτερικού πεδίου ή άλλη εξωτερική παράμετρο.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Καταγραφέας υστέρησης για σκληρά μαγνητικά υλικά. Περιλαμβάνει δύο μετρητές ροής για τη μέτρηση των H και J και την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος για τον ηλεκτρομαγνήτη. Το δείγμα και το περιβάλλον πηνίο τοποθετούνται μεταξύ των πόλων του ηλεκτρομαγνήτη. Είναι ένα πολύ σημαντικό όργανο για το χαρακτηρισμό των συμπαγών μόνιμων μαγνητών. Χρησιμοποιείται κυρίως για την καταγραφή του δεύτερου τεταρτημόριου του βρόχου υστέρησης. Μπορούν να προσδιοριστούν κρίσιμες παράμετροι όπως η παραμένουσα μαγνητική επαγωγή B_r,το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (BH)_max και τα συνεκτικά πεδία H_cJ  και H_cB.

Περιλαμβάνει ένα ηλεκτρομαγνήτη για να μαγνητίζει και να απομαγνητίζει το δείγμα, μετρητικά πηνία για την ένταση πεδίου Η και την πόλωση J και δύο ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα (μετρητές ροής) για την καταγραφή των τάσεων που επάγονται στα πηνία.

Χρησιμοποιείται ηλεκτρομαγνήτης με κατακόρυφη κατεύθυνση μαγνητικού πεδίου. Το δείγμα τοποθετείται στο κάλυμμα του κατώτερου πόλου ενώ ο ανώτερος πόλος μπορεί να μετακινείται κατακόρυφα ώστε να κλείσει το μαγνητικό κύκλωμα.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Τα φασματόμετρα NMR χρησιμοποιούν υπεραγώγιμα σωληνοειδή για την παραγωγή του μαγνητικού πεδίου. Ενώ αυτά τα όργανα θα μπορούσαν να λειτουργήσουν συνεχώς (CW: Continuous Wave), συνήθως λειτουργούν σε ραδιοσυχνότητες (RF: Radio Frequency) μέσω σύντομων παλμών RF (μs). Αυτό διεγείρει όλους τους πυρήνες ταυτόχρονα και τα προκύπτοντα σήματα (FID) συλλέγονται ψηφιακά στo χρονικό παράθυρο (ένταση, χρόνος) και στη συνέχεια με μετασχηματισμό Fourier μετατρέπονται σε ένταση-συχνότητα.

Ενώ υπάρχει ένα ευρύ φάσμα πυρήνων που είναι ενεργοί στο NMR, μόνο ορισμένοι από αυτούς συνήθως χρησιμοποιούνται. Tα ισότοπα των πιο κοινών ατόμων σε οργανικά μόρια είναι σε αυτή την κατηγορία me το ¹H να είναι ο πιο συχνά παρατηρούμενος πυρήνας λόγω της μεγάλης συμμετοχής του σε ενώσεις και της υψηλής σχετικής ευαισθησίας ανίχνευσης.

Μια τυποποιημένη δομική ανάλυση με NMR περιλαμβάνει:

(1) προετοιμασία δείγματος, (2) μετρήσεις φασμάτων NMR, (3) φασματική ανάλυση για την αντιστοίχιση σημάτων NMR - πυρήνων και την εύρεση της συνδεσιμότητας των πυρήνων μέσω δεσμών και χώρου, (συμβατικά χρησιμοποιείται ο όρος «σήματα» και όχι «κορυφές» επειδή οι οι πυρηνικοί συντονισμοί δεν παρατηρούνται πάντα ως κορυφές.) και τέλος (4) η εξαγωγή δομικών μοντέλων με βάση τις πληροφορίες που λαμβάνονται στο 3, καθώς και πληροφορίες από άλλες χημικές αναλύσεις ως συνθήκες στην υπολογιστική διαδικασία προσομοίωσης. Το τελικό βήμα (4) είναι σαν να σχηματίζουμε μια αλυσίδα μεταλλικών δακτυλίων διαφόρων σχημάτων (π.χ. υπολείμματα αμινοξέων σε πρωτεΐνες) σε ένα πλαίσιο που έχει ορισμένα σημεία-κόμβους που συνδέονται με άλλα στην αλυσίδα. Για το λόγο αυτό, ιδιαίτερα για μακρομόρια όπως οι πρωτεΐνες, είναι δύσκολο να προσδιοριστεί η πλήρης μοριακή δομή αποκλειστικά από την ανάλυση NMR μόνο. Δεδομένου ότι μπορούμε μόνο να βρούμε πιθανούς υποψηφίους για τη δομή, είναι προτιμότερο να αναφερόμαστε σε "μοντέλα" παρά σε "δομές".

Αυτό έρχεται σε έντονη αντίθεση με τη δομική ανάλυση της περίθλασης ακτίνων-Χ στην οποία η δομή του κρυστάλλου είναι λίγο πολύ "καθορισμένη" μόνο από τα δεδομένα περίθλασης. Ωστόσο, η τεχνική NMR έχει πλεονεκτήματα σε σχέση με την περίθλαση ακτίνων Χ από πολλές απόψεις, όπως

1. Δεν απαιτούνται μονοκρυσταλλικά δείγματα Τα δείγματα μπορεί να είναι άμορφα ή σε διάλυμα.
2. Φαινόμενα διαμομοριακών αλληλεπιδράσεων, που ενδεχομένως να μεταβάλλουν τη μοριακή δομή, μπορούν να αποφευχθούν εάν τα δείγματα διασκορπιστούν σε διάλυμα.
3. Η δυναμική κίνηση των μορίων μπορεί να ανιχνευθεί.
4. Μια τοπική δομή μπορεί να ερευνηθεί επιλεκτικά χωρίς να απαραίτητη η πλήρης γνώση της δομής.
5. Μπορούν να αποφευχθούν οι ανεπιθύμητες καταστροφικές βλάβες που οφείλονται σε έντονη ακτινοβολία ακτίνων Χ, που είναι πιθανό να συμβούν σε οργανικά μόρια.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μαγνητομέτρων πολικού φαινομένου Kerr  με αυτοματοποιημένες διαδικασίες συλλογής δεδομένων, αναλύσεων και σάρωσης του μαγνητικού πεδίου. Είναι γνωστό ότι το μαγνητο-οπτικό φαινόμενο εξαρτάται έντονα από το οπτικό μήκος κύματος. Για την αξιολόγηση της εξάρτησης μήκους κύματος, οι εμπορικές διατάξεις καλύπτουν ένα ευρύ εύρος μηκών κύματος από την υπεριώδη έως την υπέρυθρη ακτινοβολία.

Το σημείο Curie είναι ένας σημαντικός παράγοντας που σχετίζεται στενά με την ευαισθησία των μαγνητο-οπτικών δίσκων αποθήκευσης. Προσδιορίζεται με τη μέτρηση της θερμικής εξάρτησης της μαγνήτισης και της γωνίας στροφής Kerr σε θερμοκρασιακό εύρος από το σιδηρομαγνητισμό έως την παραμαγνητική κατάσταση. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται με τη χρήση του VSM και μαγνητόμετρου Kerr με δυνατότητα θέρμανσης και θερμικής καταγραφής.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Το PFM είναι ένα νέο όργανο που είναι κατάλληλο για γρήγορη και αξιόπιστη μέτρηση των βρόχων υστέρησης σκληρών μαγνητικών υλικών. Οι μετρήσεις PFM σκληρών μαγνητικών υλικών είναι αξιόπιστες και επιτυγχάνουν παρόμοια ακρίβεια με εκείνη ενός στατικού συστήματος. Όσον αφορά το πεδίο απομαγνήτισης, η διόρθωση για βιομηχανικά σχήματα δεν είναι απλή. Για σχήματα όπως κυλίνδρους ή κύβους που δεν είναι πολύ περίπλοκα, η χρήση ενός μόνο παράγοντα είναι επαρκής, αλλά για άλλα σχήματα αυτό το πρόβλημα εξακολουθεί να είναι ανοιχτό. Αυτό δεν είναι μόνο ένα πρόβλημα για το PFM, αλλά συμβαίνει σε όλα τα μαγνητικά ανοιχτά κυκλώματα.

PFMs μπορούν να κατασκευαστούν που δείχνουν καλύτερα αποτελέσματα από πολλά στατικούς καταγραφείς υστέρησης, ωστόσο με το πλεονέκτημα ότι σε ένα PFM υψηλότερα πεδία είναι διαθέσιμα, μια ταχύτερη μέτρηση είναι δυνατή και δεν απαιτείται γενικά ειδική προετοιμασία δείγματος.

Ο παλμικός μαγνήτης πρέπει να βελτιστοποιηθεί σε σχέση με τη διαθέσιμη ισχύ, τη θέρμανση του μαγνήτη και τις καταπονήσεις. Η ομοιογένεια του πεδίου στο επιθυμητό μήκος του πειράματος πρέπει να είναι καλύτερη από 1%. Σε συστήματα όπου μετράται ο βρόχος υστέρησης, ο παλμικός μαγνήτης πρέπει να βελτιστοποιηθεί σε σχέση με τη χαμηλή απόσβεση και επίσης για τη συγκεκριμένη μέτρηση (μέγιστο πεδίο, διάρκεια παλμού, σχήμα παλμού, όγκος δείγματος).

Γενικά η μαγνήτιση μετράται χρησιμοποιώντας ένα σύστημα πηνίου, το οποίο πρέπει να αντισταθμιστεί προκειμένου να μετρηθεί η μαγνήτιση Μ  αντί της επαγωγής  Β.

Για ένα βιομηχανικό σύστημα, το μέγεθος του δείγματος είναι σημαντική παράμετρος. Οι τυπικές τιμές είναι δείγματα διαμέτρου έως 30mm και μήκους 10mm σε ομοιογένεια πεδίου ±1%. Για μαγνητικές μετρήσεις η ακριβής τοποθέτηση (< 0. 1mm) στο PFM είναι απαραίτητη.

Σχηματικό Διάγραμμα ενός τυπικού εμπορικού PFM που οδηγείται από πυκνωτή

Ένα μαγνητόμετρο παλμικού πεδίου  αποτελείται από:

1. την πηγή παροχής ενέργειας, γενικά μια μπαταρία πυκνωτή. η αποθηκευμένη ενέργεια δίνεται από τη σχέση CV²/ Η μέγιστη τάση φόρτισης μπορεί να είναι 1-30 kV. Η χωρητικότητα καθορίζει το κόστος ενός τέτοιου συστήματος, το μέγιστο μέγεθος δείγματος και τη χρονική σταθερά. Για μαγνητόμετρο που μπορεί να μετρήσει τον πλήρη βρόχο, πρέπει να επιτρέπεται η αναστροφή τάσης στην τροφοδοσία.
2. τη μονάδα φόρτισης, η οποία θα πρέπει να παράγει επαναλήψιμη και διαμορφούμενη τάση φόρτισης. Καθορίζει την αξιοπιστία του πεδίου που παράγεται το παλμικό μαγνήτη.
3. τον παλμικό μαγνήτη: για συγκεκριμένη ενέργεια, ο παλμικός μαγνήτης καθορίζει, μέσω της επαγωγής του, τη διάρκεια του παλμού. Οι διαστάσεις και η ομοιογένεια επιβάλλουν χωρικούς περιορισμούς για το πείραμα στο εσωτερικό του μαγνήτη. Η θέρμανση κατά τη διάρκεια ενός παλμού μπορεί επίσης να είναι ένα πρόβλημα όταν χρησιμοποιούνται μεγάλοι ρυθμοί επανάληψης.
4. μετρητική διάταξη: αποτελείται από το σύστημα συλλογής και τα ηλεκτρονικά της μέτρησης (ενισχυτές, ολοκληρωτές, υπολογιστές, αποθήκευση δεδομένων). Ο προσεκτικός σχεδιασμός του συστήματος συλλογής είναι πολύ σημαντικός προκειμένου να επιτευχθεί υψηλός βαθμός αντιστάθμισης και, κατά συνέπεια, υψηλή διακριτική ικανότητα.
5. ηλεκτρονικά: αυτό αποτελείται είτε από μια ψηφιακή κάρτα μέτρησης είτε από ένα παλμογράφο αποθήκευσης που συνδέεται με ένα σύγχρονο σύστημα καταγραφής δεδομένων σε έναν τυπικό υπολογιστή, το οποίο επιτρέπει τη λειτουργία του PFM μέσω κατάλληλου λογισμικού (φόρτιση, εκφόρτιση και μέτρηση με αξιολόγηση του προκύπτοντος βρόχου)..

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Το πηνίο κόρου, μερικές φορές ονομάζεται επίσης πηνίο J_s ή μαγνητόμετρο κόρου, συνδυάζει το πηνίο μέτρησης ροπής με ένα σύστημα μόνιμου μαγνήτη που μαγνητίζει μαλακά μαγνητικά δείγματα. Το πηνίο μέτρησης, συνήθως ένα πηνίο Helmholtz, συνδέεται με ένα μετρητή ροής.

Όταν ένα δείγμα με όγκο V  εισάγεται στο πηνίο, μαγνητίζεται και η μαγνητική διπολική ροπή j μπορεί να ληφθεί από τη μέτρηση ροής χρησιμοποιώντας. Εάν η αντοχή του πεδίου είναι αρκετά υψηλή, η πόλωση κορεσμού μπορεί να προσδιοριστεί μέσω της σχέσης

Φυσικά το δείγμα μπορεί επίσης να αποσυρθεί από το πηνίο για μέτρηση, αλλά η μέθοδος περιστροφής, η οποία χρησιμοποιείται συχνά με το πηνίο μέτρησης ροπής, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Για τα μικρότερα πεδία η σχετική διαπερατότητα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τη σχέση

Το πεδίο στο εσωτερικό H_i  του δείγματος καθορίζεται από την ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, λαμβάνοντας υπόψη τον παράγοντα απομαγνήτισης.

Οι κύριες εφαρμογές της μεθόδου είναι ο προσδιορισμός της πόλωσης κόρου των δειγμάτων από νικελίου ή κραμάτων του και της περιεκτικότητας σε κοβάλτιο σε δείγματα σκληρών μετάλλων.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Το μαγνητόμετρο SQUID βασίζεται στην ίδια αρχή με το VSM, αλλά με ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα πηνίου και μια υπεραγώγιμη κβαντική συσκευή συμβολής (SQUID) ως ανιχνευτή ροής.

10⁻⁹ G cm³ or 10⁻¹⁸ V s m.

Το όριο ανίχνευσης του μαγνητόμετρου SQUID για μαγνητικές ροπές είναι περίπου 1000 φορές χαμηλότερο από αυτό του VSM, δηλαδή περίπου 10⁻⁹  G cm³ ή 10⁻¹⁸  V s m. Συνήθως συνδυάζεται με έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη και ένα κρυοστάτη Ηe μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας, που  επιτρέπει μετρήσεις σε υψηλά πεδία (3-7 T για εμπορικά όργανα) και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η μεγαλύτερη πρόκληση είναι να αξιοποιηθεί η υψηλή ευαισθησία του SQUID παρουσία αναπόφευκτων διακυμάνσεων του πεδίου από τον εξωτερικό μαγνήτη. Η πιο αποτελεσματική λύση είναι η χρήση προσεκτικά βαθμονομημένου πηνίου μέσω της τη μορφή ενός βαθμιδόμετρου πρώτης ή δεύτερης τάξης.

Οι τυπικοί χρόνοι μέτρησης για ένα πλήρη βρόχο μαγνήτισης μπορεί να κυμαίνονται από 30 λεπτά έως και μια ολόκληρη ημέρα ανάλογα με το εύρος πεδίου και τον αριθμό των σημείων μέτρησης.

Για μετρήσεις ακριβείας απαιτείται προσεκτική βαθμονόμηση που να λαμβάνει υπόψη τη συγκεκριμένη γεωμετρία δείγματος.

Για τους περισσότερους σκοπούς, το μαγνητόμετρο SQUID είναι το καταλληλότερο και πιο ευέλικτο όργανο μέτρησης υπέρλεπτων υμενίων σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (συνήθως 2-400 K) και μαγνητικών πεδίων (έως 7-9T).

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

Τα μαγνητόμετρα ροπής με τη μορφή στροφικού εκκρεμούς έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για υπέρλεπτα υμένια λόγω της υψηλής διακριτικής ικανότητας που επιτυγχάνεται. Ωστόσο, μετρούν την ολική μαγνητική ανισοτροπία του δείγματος. Συνεπώς, οι διάφορες συνεισφορές στην ανισοτροπία του δείγματος πρέπει να είναι γνωστές για τον προσδιορισμό της μαγνητικής ροπής.

Η κύρια εφαρμογή του μαγνητόμετρου ροπής είναι ο προσδιορισμός σταθερών πεδίου ανισοτροπίας σκληρών μαγνητικών υλικών, συμπεριλαμβανομένων μικρών σωματιδίων και λεπτών υμενίων. Άλλες εφαρμογές είναι ο προσδιορισμός της υφής σε ηλεκτρικά ατσάλια με προσανατολισμένους κόκκους και της ανισοτροπίας της επιδεκτικότητας των παραμαγνητικών υλικών με όχι κυβική δομή.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.

To VSM χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της μαγνητικής ροπής m  και της μαγνητικής διπολικής ροπής j  =  μ₀m παρουσία στατικού ή αργά μεταβαλλόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Δεδομένου ότι η μέτρηση πραγματοποιείται σε ανοικτό μαγνητικό κύκλωμα, πρέπει να συνυπολογίζεται ο συντελεστής απομαγνήτισης του δείγματος.

Τα περισσότερα όργανα χρησιμοποιούν στατικά πηνία και δονούμενο δείγμα, αλλά έχουν επίσης προταθεί ρυθμίσεις με δονούμενα πηνία και στατικώς τοποθετημένα δείγματα. Η οδήγηση πραγματοποιείται είτε με ηλεκτρικό κινητήρα είτε με μετατροπέα ανάλογο με εκείνο σε σύστημα ηχείων.

Το δείγμα αιωρείται μεταξύ των πόλων του ηλεκτρομαγνήτη και ταλαντώνεται κατακόρυφα ως προς την κατεύθυνση του πεδίου ενώ πρέπει να είναι τοποθετείται στο κέντρο των πηνίων συλλογής.

Στα πηνία προκαλείται ένα σήμα στη συχνότητα δόνησης. Αυτό το σήμα είναι ανάλογο με τη μαγνητική διπoλική ροπή του δείγματος αλλά και με το πλάτος και τη συχνότητα δόνησης. Ο σχεδιασμός του πηνίου διασφαλίζει ότι η λειτουργία του δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις στο πεδίο που παράγεται από τον ηλεκτρομαγνήτη.

Ένα VSM χρησιμοποιείται κυρίως για μετρήσεις σε μαγνητικά σκληρά ή ημι-σκληρά υλικά. Οι μορφές δειγμάτων περιλαμβάνουν τα μικρά δείγματα από συμπαγή υλικά, κονιορτοποιημένα υλικά, άμορφες μαγνητικές ταινίες και λεπτά υμένια. Το VSM μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για μετρήσεις σε μαλακά μαγνητικά υλικά. Σε αυτή την περίπτωση ο ηλεκτρομαγνήτης μπορεί να αντικατασταθεί από ένα σύστημα πηνίων Ηelmholtz.

Τα VSM είναι πολύ ευαίσθητα όργανα. Τα εμπορικά συστήματα προσφέρουν δυνατότητες μέτρησης έως περίπου 10⁻⁹  Am². Αν χρησιμοποιηθεί αισθητήρας SQUID στη θέση των πηνίων συλλογής επιτυγχάνεται διακριτική ικανότητα 10^-12 Αm².

Ανάλογη λειτουργία έχει και το  μαγνητόμετρο βαθμίδας εναλλασσόμενου πεδίου (AGM). Όπως χρησιμοποιείται συνήθως για μετρήσεις σε λεπτά υμένια.

Το VSM  επιτρέπει σχετικά γρήγορες μετρήσεις (1-10 λεπτά για έναν πλήρη βρόχο M(H),ανάλογα με τον τύπο του μαγνήτη και την απαιτούμενη διακριτική ικανότητα), είναι ευέλικτο και εύκολο στη χρήση. Ειδικότερα, οι μετρήσεις σε διάφορες γωνίες μπορούν να γίνουν με μεγάλη ακρίβεια που απαιτείται για τον προσδιορισμό των μαγνητικών ανισοτροπιών. Η ευαισθησία που επιτυγχάνεται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία και τη θέση των πηνίων συλλογής σήματος. Οι τυποποιημένες εκδόσεις μετρούν μαγνητικές ροπές που αντιστοιχούν σε υμένια Fe ή NiFe πάχους άνω των 5 nm (με πλευρικές διαστάσεις 1-2 cm). Είναι δυνατή και η μέτρηση λεπτότερων υμενίων έως 1 nm με βελτιστοποιήση του VSM. Η διακριτική ικανότητα μειώνεται γενικά για μετρήσεις μεταβλητής θερμοκρασίας όταν τοποθετείται κρυοστάτης ή φούρνος.

Για την παραγωγή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου απαιτείται ισχυρός ηλεκτρομαγνήτης. Η κατεύθυνση του πεδίου είναι οριζόντια. Κυρίως, χρησιμοποιούνται υδρόψυκτες μαγνήτες και σε κάποιες περιπτώσεις υπεραγώγιμοι μαγνήτες. Η ισχύς που απαιτείται είναι ακόμη υψηλότερη από ό, τι για έναν καταγραφέα υστέρησης καθώς ο χώρων μεταξύ των πόλων είναι αρκετά μεγάλος. Η ράβδος δείγματος πρέπει να είναι σε θέση να ταλαντώνεται και απαιτείται επαρκής χώρος για ένα σύστημα πηνίων συλλογής μεταξύ του φορέα του δείγματος και των πόλων του μαγνήτη.

Συνήθως επιλέγεται μια απόσταση που είναι επαρκής για έναν προαιρετικό φούρνο ή κρυοστάτη για τη θέρμανση ή την ψύξη του δείγματος, ενώ φούρνοι, κρυοστάτες LN₂ ή ηλίου τοποθετούνται μεταξύ των πόλων του ηλεκτρομαγνήτη. Πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να αποφεύγονται σφάλματα που οφείλονται σε μαγνητικά εξαρτήματα ή γραμμές παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η θερμοκρασία Curie και να καταγραφούν και άλλοι μετασχηματισμοί φάσης.

Πηγή κειμένου: Handbook of Materials Measurement Methods, Horst Czichos, Tetsuya Saito, Leslie Smith, Springer Science+Business Media, 2006.