铁磁共振涡流探头：探寻材料的磁性特性

一种与上述完全不同的探头如图4.4-21所示。这种探头采用了铁磁共振（FMR）替代电磁共振。铁磁材料在它们的磁导率中呈现出自然的分散性。铁素体中的这种效应已经研究出，在无外加磁场时，典型的有两个共振，一个在3～500MHz的范围，而另一个在1200MHz。有证据说明较高的共振是由于电子的自旋。由于存在着内部各向异性的磁场，这些自旋共振的出现是必然的。这些内部磁场趋向于保持与优选的晶体轴一致的电子磁矢量。很多此类共振是很宽钝的。

图4.4-20 耦合微波条带线表面裂缝检测系统

（LO本机振荡器；IF中频频率；RF射频频率）

图4.4-21 典型的铁磁涡流共振探头

研究石榴石的磁共振已给出某些窄的铁磁共振线。钇铁石榴石（YIG）给出十分窄的铁磁共振线。多晶的YIG所具有的线显示内部场的值为33、14和4.0kA/m（420、180和50Oe）。其性质通过代替部分的钇、铬和诸如钇与镝等稀土元素加以改变。抛光的、单晶球形式的、置换的YIG可获得一个优越的窄线。最好的结果是宽为41A/m（0.52Oe）。内部场的值为0.175T（1750G）。在直径0.8mm的球形式内，具有线宽185A/m（2.3Oe）的单晶，其Q因素在9.5～67GHz的频率范围，约为3000。要求外加磁场覆盖这一频率范围。

图4.4-21所示的共振器是直径小于1mm的单晶YIG球。球的共振频率由所加的场H_DC的强度和方向确定的，见图4.4-20。在YIG的内部磁场来自YIG球内电子的旋转磁场，这是由于它们与所加磁场H_DC相互作用引起的。进动角频率ω₀由式（4.4-12）确定。

ω₀=rH_DC （4.4-12）

式中 r=2.8×10⁶rad/Oe.s。

对谐振频率范围为500～2000MHz，H_DC的值在14.2～56.8A/m（178～714Oe）之内改变。这样范围的磁场值是很容易用钐-钴和其他类型的现代磁材料提供的。

与低频涡流头不一样，图4.4-21所示的线圈是单匝的，它的直径是1.5倍YIG球的直径或者是0.25～0.75mm，导线直径用0.13mm。

铁磁共振是以铁磁材料为条件。YIG球如此之小，以致边界条件必须加以考虑。如此引入无限数目的共振模式，被称为静磁学模式。每一模式均带有球内的磁化特征分布和依据H_DC的特征频率。当图4.4-21内的微波涡流探头按图4.4-22所示装置时，置于线圈的射频（RF）场（H_RF）内的材料特征，将改变YIG内的耦合损耗和模式。靠近探头的材料引起模态的幅度和频率发生变化。这转而又将改变来自单匝环电感线圈的反射能量。

图4.4-22 从FMR探头测量反射的微波系统

占优势的模式是一磁场均匀分布于整球且是均匀进动的。其进动频率ω₀由式（4.4-12）给出，而且可有用场强的电子偶极力矩（m_RFV_s）表示，此外V_s为球的体积。由于H_DC和m_RF的矢量乘积是以频率ω相对于H_DC进动的，按照右手定则，在垂直于H_DC平面内，（图4.4-21）。进动是处在加于耦合线圈的驱动电流I的频率。当进动频率ω₀等于进动频率ω时，得到的偶极力矩为最大。随时间变化的磁场，由于这种旋转偶极力矩的作用而建立在球的外部。上述外部随时间变化的磁场受材料内部缺陷的干扰就以与常规低频涡流探头产生时间变化磁场的相同方式产生缺陷的检测信号。

实际上，YIG球是以沉积的方式固定在一片带有环形蚀刻的微波电路板上，导线引环路的一端与半刚性同轴线连接。一个小的钐-钴磁铁在黄铜的夹持器内供给偏压场。磁铁的位置可以调节，用以改变场的取向与频率。这种类型的探头，由于体积小，给出了优越的空间分辨力，鉴别克服边缘效应，以及对局限角落的可达性。

FMR涡流探头的高灵敏度和高空间分辨力已经得到实践的证实。在一种情况下发现，FMR探头对开口槽较之商用100kHz探头具有高达40倍的灵敏度。用FMR探头检测到的缺陷信号与应力疲劳裂缝的开口宽度相互符合关系也得到了良好证实。

另一些研究工作者已经将FMR探头应用到铝、316型不锈钢、磁性铁和XC-380。他们采用YIG和镓添加剂的钇柘榴石（GaYIG）。这种柘榴石和以前所介绍的石榴石的主要区别是：YIG饱和磁化曲线固定在0.075T（750G）：而GaYIG则随镓的添加量而改变。所用共振器的原理图，如图4.4-23所示。通过测量图4.4-23中的反射系数完成共振频线的表征。通过铜环路的方式，加微波信号到柘榴石上：在共振不存在时，波形被反射；当达到共振时，入射波被柘榴石吸收而反射波被严重衰减。通过标量分析或矢量分析，即可标定反射系数。

在空气中（未耦合至样件），共振频率是与图4.4-23中所加的偏置场H_DC成正比，比例常数为：2.8MHz/Oe，YIG的共振线位于3GHz以上。对GaYIG，共振频率能下降到小于1GHz。所用石榴石的直径有37μm或500μm仅只用石榴石，它要求偏置磁场在80和160kA/m（1000和2000Oe）之间。微波环是由印制电路制作的。有关微波振荡器的实践经验指出，环路具有1.5倍石榴石直径的，则其铜带宽应为0.1mm。(www.xing528.com)

图4.4-23 YIG共振器原理示意图

常用的有三种探头（A，B1，B2）。这三种检测头如图4.4-24所示。该三种探头的构成用在下列几种情况：

1）探头A用于非磁性金属，存此场合下磁场平行手金属表面，而探头A的干扰场将处于非磁性金属表面。

2）探头B1用于磁性材料，FMR探头在金属和磁铁之间给YIG提供偏置磁场，而RF场垂直于磁金属表面。

3）探头B2用于磁性材料，FMR探头在磁铁和金属之间，而来自YIG线圈的RF场平行于金属表面。

图4.4-24 用YIG线圈构成的三种微波涡流探头

探头B2由于环路的位置，在金属和柘榴石之间最小距离大约1mm，这一缺点可以通过采用半环路来克服。在探头B1中，有为数众多的寄生模式，它们几乎与主模式同样强烈。这种探头，当需要在缺陷效应中分离出有关距离效应时，特别有价值。

测量原理可以描述为共振线和缺陷存在的一种变形。FMR所用的电子器件方框图如图4.4-25所示。对标量分析，一个频率摆动振荡器（摆频振荡器，德国称信号发生器，确切地说是频率调制的RF源）送出一个波形，通过耦合器再由循环器到探头。来自探头的信号，经过循环器到检测器再到示波器的垂直轴。所用信号改变频率并送至示波器的水平轴，示波器显示探头作为频率函数的共振。自动控制装置使其能确定峰值时的频率。金属的扫查发生在单一的方向并作扭曲线f（x），缺陷以频率偏移表征。

对向量分析，反射波送至矢量分析器，它使得能够显示相平面内的反射系数。缺陷的效应被相平面内谐振环所表征。当需要对，同步器允许相位锁定在摆频振荡器上以提供较大的频率稳定。

对三种金属进行了试验研究，铝、316型不锈钢和磁性铁。样件表面研磨至表面粗糙度Ra为0.1μm。

缺陷是用直的人工凹槽，切割横过样件的整个长度。研究的参量是谐振峰的频率。铝和不锈钢的结果相差不大。铝和磁性铁的矢量分析之间差别是明显的。

提离效应对铝和磁性铁有本质上的差别；而铝和不锈钢则是相同的。对铝，提离Δh大于300μm，频率保持稳定；提离从300μm减至100μm，频率由4014MHz增加到4024MHz。对磁性铁，频率从600μm的3800MHz几乎是按指数变化为100μm的4300MHz。铁内的频率变化是由磁性和金属间的空隙变化引起的。非金属材料中，频率的改变是由于金属中的涡电流。

在图4.4-24和图4.4-25所示的配置中，频率测量的灵敏度为100kHz，几乎是被其不稳定性所限。在三种金属的每一种，其提离同为100μm，由100μm×100μm缺陷所引起的频率偏移图形中铝最小，不锈钢居中，而磁性铁最大。频率偏移：铝为4MHz，不锈钢为12MHz，而磁性铁为27MHz。对于所有三种金属，10μm×5μm的缺陷都消失在背景中。

图4.4-25 分析框图

实验证实，FMR探头对铁磁材料中的缺陷较之非磁性金属中的有较好的灵敏度。对于非磁性金属，频率的偏移是由涡流引起的；而铁磁性金属，频率的偏移是由缺陷形成的偏罩场造成的。由于频率偏移0.1MHz可以测量到，场的变化0.05%即能被测出。