Главная >  Радитехнология низких температур 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [ 48 ] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

ухудшаются, и устройство оказывается неработоспособным. При этом увеличение или уменьшение величины постоянного магнитного поля в феррите не оказывает сушественного влияния на параметры устройства. Следовательно, основную роль в формировании характеристик охлажденных ферритовых устройств играют про-

и -

Лр\.

Рис. 6.1. Экспериментальные зависимости прямых потерь Рпр и обратных потерь L от температуры Г для ферритового резонансного вентиля в длинноволновой части диапазона сантиметровых волн, а также зависимость АН этого феррита от Т.

цессы, связанные с низкотемпературной зависимостью магнитных потерь. Диэлектрические потери, незначительные при комнатной температуре, с понижением температуры становятся почти неощутимыми. В первой главе отмечалось, что магнитные потери на СВЧ определяются шириной линии ферромагнитного резонанса АЯ данного феррита и увеличиваются при росте АН. Значит, в указанных ферритах со структурой шпинели рост потерь в прямом направлении и уменьшение развязки обусловлены прежде всего увеличением АЯ, что и было подтверждено опытным путем. Характерная экспериментальная зависимость АН(Т) для обычного поликристаллического феррита марки НМ со структурой шпинели приведена на рис. 6.1 (пунктиром), здесь же показано изменение прямых Рщ, и обратных L потерь вентиля, изготовленного с применением этого феррита.

Влияние охлаждения на ширину линии резонансного поглощения АЯ феррита СВЧ можно проиллюстрировать графиками на рис. 6.2. Это влияние в основно.м обусловлено следующим:

- ростом намагниченности насыщения 4лМо феррита с поинжеиием температуры до такой величины, при которой внешнее магнитное поле Яо уже не может до-

а Н, отн. ед.


150 б)

Рис. 6.2. Влияние охлаждения на ширину линии ферромагнитного резонанса иттриевого феррита при внешнем поле Яо:

о -намагниченность насыщения М или б-образец насыщен.

cpanHHwa с H.

вести образец до насыщения, что вызывает появление доменной структуры и увеличение связанных с этим потерь (АЯ растет, как показано на рис. 6.2,а);

- увеличением при охлаждении эффективного поля магнитной анизотропии Яаниз, приводящим при внешних полях Яо порядка Яатшз к росту потерь на естественный ферромагнитный резонанс в поле анизотропии; АЯ при этом растет (см. рис. 6.2,а);

- различными релаксационными процессами, интенсивность которых зависит от температуры охлаждения и проявляется в расширении линии ферромагнитного резонанса во внешнем магнитном поле (рис. 6.2,6).

Некоторые причины зависимости АЯ от Т при низких температурах в монокристаллах были вкратце сформулированы в гл. 3, поэтому рассмотрим более подробно основные процессы, приводящие к возрастанию ширины линии ФМР в поликристаллических ферритах. Согласно



Теоретическому исследованию [l] ширина линии ФМР поликристаллических ферритов прежде всего определяется влиянием магнитных неоднородностей, обусловленных флюктуациями эффективного поля магнитной анизотропии от кристаллита к кристаллиту. Рассмотрим это на примере сферического образца. Ширина линии ФМР образца феррита выбранной формы

АН = 2.07

<0о

(6.1)

где G

/<1>0 \

--фактор, определяющий частотную зависимость ширины линии;

При > фактор G fпредставляет собой мед-

ленно меняющуюся от температуры функцию. В поликристаллических ферритах поле магнитной анизотропии

где Ki - первая константа кристаллографической анизотропии.

С учетом сказанного из (6.1) получим

(6.2)

Учитывая, что при понижении температуры -j

как правило, возрастает значительно быстрее, чем Mq, получим, что ширина линии ФМР при этом также будет возрастать. Отметим, что в этом случае из-за температурной зависимости несколько замедляется скорость расширения линии при охлаждении. Однако ферритовые образцы, используемые ъ устройствах, имеют конечные размеры, и поэтому возрастание намагниченности при по-

ннжении температуры будет все же приводить к расширению резонансной линии [2]. Это видно из формулы

<0о

АН =

Y en-/V,.M

(6.3)

где (О,- - феноменологическая частота релаксадип; Ярез - внешнее магнитное поле при резонансе;

Az -размагничивающий фактор в направлении поля.

Так как Шг и Ярсз мало меняются в зависимости от температуры, то возрастание Mq у охлаждаемого феррита приводит к расширению линии ФМР.

При резонансных значениях Яо, близких ПО величине к Л1о, как уже отмечалось, линия ФМР расширяется также вследствие потерь, обусловленных возникновением доменов.

Кроме того, реальные поликрнсталлические ферромагнетики всегда имеют межкристаллитные пустоты (поры), существование которых приводит к появлению местных размагничивающих полей. Расширение резонансной кривой, определяемое этими локальными размагничивающими полями, пропорционально намагниченности и равно

ДЯ = а4яЛ1о(1-р), (6.4)

где а~\ для ферритов со структурой граната; /7 = 1--у--относительная плотность;

V и V - объем пор и объем всего обра.зца соответственно.

Рассмотренные релаксационные процессы наблюдаются в широком интервале температур, при охлаждении они только более ощутимы. Однако существуют процессы, проявляющиеся только при низких температурах и связанные с наличием быстро релаксирующих ионов примесей и ионов Fe+2. Примеси редкоземельных ионов в ферритах со структурой шпинели и граната приводят к интенсивному росту ширины линии ФМР лишь в определенном интервале низких температур. Процессы магнитной релаксации через ионы примесей начинают про-

19-2175 289 -



являться при таком уровне охлаждения, когда время спин-решеточной релаксации этих ионов начинает соответствовать частоте сигнала [31].

Характерным для зависимости А от Г в иттриевом феррит-гранате является всплеск АЯ в районе 50- 100° К, величина, интенсивность и температура максимума которого в основном определяются типом и числом примесей. Измерения, проведенные Гуревичем А. Г., а также Диллоном Дж. и Нильсеном Дж. [31] на образцах из иттриевого граната с добавлением редкоземельных примесей Ей и ТЬ, подтверждают отмеченную закономерность. Это же можно обнаружить, например, и у поликристаллического иттрий-железистого граната, у которого максимум наступает примерно при 50° К на частоте 9253 Мгц [44, гл. 3]. При охлаждении до температуры жидкого гелия ширина резонансной кривой АЯ, как правило, уменьшается.

Примерно таким же образом проявляется в феррите наличие ионов двухвалентного железа Fe+2, имеющих большую частоту парамагнитной релаксащш. Экспериментальная зависимость релаксационных потерь этого типа в области низких температур для иттриевого феррита со структурой граната стехиометрического состава получена Богданович Г. М., Образцовым А. И. и Ка-литиевской О. Н. Для этой зависимости характерно наличие максимума поглощения на частоте 3310 Мгц при Г=150°К, интенсивность которого при одновременном понижении температуры и частоты увеличивается.

Таким образом, синтез поликристаллических ферритов, пригодных для использования при низких температурах, должен проводиться в условиях, обеспечивающих получение максимальной плотности материала и полное отсутствие быстрорелаксирующих ионов примесей и ионов Fe+2. При синтезе монокристаллических образцов основное внимание должно быть уделено чистоте сырья и должно быть исключено условие образования ионов двухвалентного железа.

В дециметровом диапазоне волн указанные материалы должны, кроме того, иметь минимально возможные эффективное поле анизотропии и намагниченность насыщения. Наиболее полно эти требования выполняются при синтезе ферритов со структурой граната. Типичная

кривая АЯ--=ф(Г) * для полнкристаллического феррита со структурой граната, изготовленного из окиси иттрия с весьма малым содержанием примесей н спеченного в атмосфере кислорода, представлена на рис. 6.3. Как видно из рисунка, при охлаждении этого феррита величина ДЯ меняется слабо и лишь в районе температур 15-30° К наблюдается некоторое увеличение АЯ, обусловленное, П0-ВИДИМ0А1У, примесями.


Рис. 6.3. Зависимость ЛЯ от температуры для поликрп-сталлического иттриевого феррита со структурой граната ЗУгОз РегОз с малым содержанием примесей.

Следует отметить, что в сантиметрово.м диапазоне волн могут быть успешно использованы и ферриты со структурой шпинели, в частности никелевый феррит. Так, измерения зависимости АЯ от температуры для чистого монокристалла никелевого феррита МЮ-РегОз показали, что в интервале 77-300°К значение АЯ меняется в пределах 12-20 э. В монокристаллах никелевого феррита, содержащего небольшое количество ионов Ре+2 (0,95Ni 0,05Ре+2. Ре204) АЯ меняется в пределах 95-110 э при охлаждении от 300 до 77° К и уменьшается до 40-50 э при охлаждении до 4,2°К [31].

Из поликристаллических шпинелей при температуре жидкого гелия, как покачано в работах Штейншлейге-

* Измерения проводились Соловьевым А. И. 19* 291 -



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [ 48 ] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61