Investigation of Barkhausen noise in metallic glass ribbons

Összefoglalás Munkám során egyrészt amorf, illetve ipari körülmények között hőkezelt amorf nanokristályos, FINEMET-típusú (Fe75Si15Nb3B6Cu1) szalagok mágneses tulajdonságait vizsgáltam. A permeabilitás, hő- és mechanikai érzékenységet standard ipari eszközökkel mérték a gyöngyösi Magnetec Ungarn munkatársai. E paraméterek és a mért Barkhausen-zajparaméterek közti korrelációt határoztam meg. A csúcsterület- (P(A)) és csúcsenergia-eloszlásokat (P(E)) kiértékeltem. A zajparaméterek eloszlásfüggvényei jó egyezést mutattak az önszerveződő kritikusság elméletével (SOC), a P(x)~x-a formájú hatványfüggést kielégítve. Azt kaptam, hogy a zaj számottevően nem függ a minták hőmérsékleti érzékenység-paraméterétől és permeabilitásától. Ugyanakkor egy hasznos korrelációt sikerült megállapítanom a zajparaméterek és a mechanikai érzékenység között. Minimális zajt elhanyagolható mechanikai érzékenységű 853 K-en hőkezelt amorf nanokristályos kompozit minták esetében mértem. A teljesítményspektrum (S(f)), a Barkhausen-zajt állandó mágnesezési sebesség mellett mérve, határozott függést mutat a szalagok mikroszerkezete függvényében. Azt találtam, hogy S(f) kisfrekvenciás és nagyfrekvenciás része korrelációt mutat a mechanikai érzékenységgel. Ez a korreláció hasonló az egy gerjesztési ciklusra jutó teljes disszipált Barkhausen-zajenergia és a mechanikai érzékenység között észlelt összefüggéshez. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy S(f) vizsgálata is alkalmas lehet roncsolásmentes anyagvizsgálat céljára FINEMET-típusú szalagok (mint ipari termék) előállításakor. A harmadik tézis pontban ismertetett végleges eredményeket Dr. Daróczi Lajos volt tanszéki munkatársnak és Molnár Zsolt villamosmérnök-hallgatónak is köszönhetem. Az [50]-nek megfelelően kiterjesztettük vizsgálatainkat a mágnesezési görbe különböző pontjaira Fe75Si15Nb3B6Cu1 FINEMET-típusú amorf fémüvegszalag esetében is. A Barkhausen-zajra jellemző különböző skálakitevők szisztematikus változását sikerült kimérnünk a külső tér munkapontjának függvényében egy viszonylag szűk ablakot alkalmazva állandó mágneses indukcióváltozási sebesség mellett a mágnesezési görbe mentén negatív telítéstől pozitív telítésig, ill. pozitív telítéstől negatív telítésig haladva. Polikristályos Fe(Si) lemezeken végzett hasonló mérések eredményeivel összhangban [50] a zajteljesítmény a mágneses indukció függvényében B=0 körül széles minimumot és a mágnesezési görbe könyökpontjai körül két élesebb csúcsot mutatott. Új eredmény, hogy a Barkhausen-zajteljesítmény mindig nagyobb új domének létrejöttekor (a mágnesezési görbe azon könyökpontjainál, ahol a mágneses szerkezet multi-doménszerkezetbe alakul át) és jóval moderáltabb csúcsot ad a domének eltűnésekor (a mágnesezési görbe mentén telítéstől telítésig haladva a második könyökpontnál). A csúcsok csúcsszélesség, csúcsterület és csúcsenergia paramétereinek valószínűségi eloszlásai, a mágnesezési görbe fél ága mentén telítéstől telítésig haladva egy szűk gerjesztési intervallum mellett, jól leírhatók a P(x)~x-a hatványfüggvénnyel messze a B=0 ponttól is. Ezeknek a kitevőknek az értékei határozott B függést mutatnak, a zajteljesítmény B függésének jellegét tükrözve. Summary Magnetic properties of FINEMET-type metallic glass ribbons (Fe75Si15Nb3B6Cu1) as well as ribbons annealed under industrial circumstances were investigated. The permeability, temperature and mechanical sensitivity were measured by standard industrial equipments by the co-workers from the Magnetec Ungarn Company in Gyöngyös. The correlation between these parameters and the measured Barkhausen noise parameters was analyzed. The probability distributions of peak area (P(A)) and the peak energy (P(E)) were evaluated. The probability distribution functions of the noise parameters were in good agreement with the theory of self-organized criticality (SOC), satisfying the P(x)~x-a power law. It was obtained, that the Barkhausen noise did not depend considerably on the temperature sensitivity parameter and the permeability. However a useful correlation was identified between the noise parameters and the mechanical sensitivity. Minimal noise was measured in the case of negligible mechanical sensitivity in amorphous-nanocrystalline samples annealed at 853 K. The power spectrum (S(f)), characterizing the Barkhausen noise at constant magnetization speed, shows a definite dependence on the microstructure of the ribbons. It was found that both the low and high frequency portion of S(f) correlates with the mechanical sensitivity. This correlation is similar to the connection between the full dissipated Barkhausen noise energy of one excitation cycle and the mechanical sensitivity. These results indicate that, analysis of the S(f) spectra can also provide a non-destructive characterization of FINEMET-TYPE ribbons (as industrial product) in the preparation phase. I grateful to Dr. Lajos Daróczi and Zsolt Molnár student on electrical engineering for their help in achieving the results described in the third thesis point. According to [50] our investigations were extended to the different points of the magnetization curve for Fe75Si15Nb3B6Cu1 FINEMET-type metallic glass too. We succeeded to measure the systematic changes of the different scale exponents, describing the Barkhausen noise, as the function of B, applying a relatively narrow window with constant magnetic induction rate, along the magnetization curve from negative to positive saturation and reverse. In accordance with the results of similar measurements on Fe(Si) polycrystalline sheets [50] the noise power as the function of the magnetic induction showed a wide minimum around B=0 and two sharper peaks around the knees of the magnetization loop. The new results are that the noise power is always larger for the creation of new domains (at the knees belonging to the change of the magnetic structure from saturation to multi domain structure) and has a much more moderate peak due to disappearance of closely oriented domains (along the magnetization curve from saturation to saturation at the second knee). The probability frequency of the duration, area and energy of the peaks, traversing the half-loop of the magnetization curve from saturation to saturation with a narrow interval of excitation, can also be described by a power function P(x)~-a even far from the B=0 point. The values of these exponents show a definite B dependence reflecting the character of the B dependence of the noise power.N