一种批量获取磁性材料m-t、δs-t曲线的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁熵变测量方法，具体地说是一种专门适用于PPMS的铁磁性材料 的磁熵变测量方法。
【背景技术】
[0002] 本发明的建议分类号为G01N 27/72。
[0003] 本发明既不是对现有热力学理论的改进，也不是对现有磁熵变的计算机计算方法 作出的算法改进，而是专门针对利用PPMS系统进行磁性材料的测量得到磁矩一磁场一温度 测试数据并进行技术处理而得到测量磁性材料的磁熵变-温度特性的技术方案。
[0004] 为便于理解本发明，以下对现有技术及现有技术作扼要的介绍。
[0005] 早在1907年郎杰斐(P.Langevin)就注意到:顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降 低。从机理上说，固体磁性物质在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减小），对 外放出热量;再将其去磁，则磁有序度下降(磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性系 统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应，又称为磁卡效应。1927年德贝 (Debye)和杰克(Giauque)预言了可以利用此效应制冷。1933年杰克实现了绝热去磁制冷。 从此，在极低温领域(mK级至16K范围)磁制冷发挥了很大作用。利用磁卡效应可制成固态磁 制冷器。
[0006] 磁熵是磁矩混乱程度的量度，以Sm表示。磁熵Sm是温度T和外加磁场Η的函数。磁矩 排列愈混乱即无序度愈大，磁熵就愈大。为了研制高效率的磁制冷器，必须研究各种铁磁性 材料的磁熵变。
[0007] 为便捷、可靠地、自动化地完成相关测试，本领域技术人员常常采用PPMS来完成测 量过程。PPMS--Physical Property Measurement System(综合物性测量系统）是美国 Quanturn Des i gn公司开发的一款材料的各种物理性质进行基础研究的仪器。PPMS系统的设 计理念是在一个完美控制的极低温(50mK)和强磁场（±16T)平台上，集成全自动的磁学、电 学、热学和形貌，甚至铁电和介电等各种物性测量手段。一个PPMS系统由基本系统和各种测 量和拓展功能选件构成:基本系统提供低温和强磁场的环境，以及整个系统的软硬件控制 中心。
[0008] 根据热力学中Maxwell方程可很容易地得到：当外加磁场从Ho变化到Hi时，磁性材 料在这一过程中的磁熵变计算公式为：
[0009]
⑴
[0010] 上式中，S为磁性材料的熵，Η为外加磁场，T为热力学温度，Μ为磁化强度，下标0、1 分别代表磁场变化前、后的状态。
[0011]通常可以通过如下途径测量得到磁性材料的磁熵变：
[0012] (Α)在给定温度下给磁性材料施加一随时间变化的外磁场Η，Η以等步长增加或减 小，测量在所述温度下的第一条M-Η曲线(也可以称为M-Η磁滞回线）；上述测试完成后，使温 度增加或减少一固定值，即温度等步长地增大或减小，重复进行测量步骤(A)，得到若干条 在不同温度下的M-Η曲线;在每次测量过程中温度保持恒定不变;通过上述测量步骤，可以 得到所测磁性材料的M(H，T)的三维数组；上述过程可以概括为：测试不同温度下的M-Η曲 线，即固定温度扫描磁场，每个温度设置的外磁场的序列要一致，这样才比较容易得到M(H， T)的三维数组；
[0013] ⑶根据公?? ^2)
[0014]计算得到磁熵变。
[0015] 而在测试过程中得到的是一系列离散的测试数据，进行具体数值计算时，通常采 用如下两种步骤来计算：
[0016] (一)按照如下步骤来进行计算：
[0017] (1)将测试得到的按温度组合(Μ-Η)τ(每列数据T相等）的实测数据转换为按磁场 强度重新组合的数据(Μ-Τ)η(每列数据Η相等）；
[0018] (2)对上一步重组的每列数据Μ对温度Τ求偏导；
[0019] (3)然后先微分再积分运算得到所测材料的磁熵变。
[0020]由于数据量巨大，上述步骤通常利用软件来完成，例如Matlab、Origin、Excel等商 业软件；
[0021] 为了减小计算过程中的误差，通常将外磁场变化的步长、温度变化的步长设置小 一些，使得数据点足够密集，M-Η曲线足够平滑。
[0022] (二)根据在测试过程中得到的是一系列离散的测试数据，进行具体计算时，公式 (1)改写为采用如下公式来进行计算：
[0023]
(3)
[0024」在上式中，i表示测试过程中第i次测试;利用公式(3)也可直接计算得到指定参数 条件下的磁性材料的磁熵变。
[0025]如果上述外磁场的序列不一致，则根本无法得到M(H，T)的三维数组，也就无从根 据上述方法(一)和(二)来计算磁熵变。
[0026]在利用PPMS完成相关测量并导出测量数据时，通常得到的数据，每一条M-Η曲线 中，①:Μ的变化步长并不是固定值，而是具有一定随机性的值，且②:每一条M-Η曲线中的数 据点数量也是变化不定的，而且，③：由于所导出的记录数值中，温度值也是由温度传感器 所测量得到的实测值，是带有轻微波动的温度值，而不是测量前程序设定的温度序列(确定 值），例如某次测量得到的部分数据为：
[0027] Temperature(K),Magnetic Field(Oe),Moment(emu)
[0028] 10.0140295,8825.666,4.77920531340975
[0029] 10.0114298,9997.748,5.35753168743939
[0030] 10.0107646,11606.298,6.1806593824613
[0031] ……
[0032] 9.967885,5850.0365,3.42836713837576
[0033] 9.9699335,4077.1785,2.44207219325932
[0034] 9.9713125,2630.387,1.65372870264995
[0035] ……
[0036] 12.0178871,8729.4175,0.546468356803494
[0037] 12.0119467,10598.8385,4.62828899150997
[0038] 12.0118856,12381.02,5.66277344040436
[0039] ……
[0040] 此外，④:而在不同的设定温度值下测量得到的M-Η数据点的数量则为3340,3268， 3421，3319,3486,3511，3403,……
[0041 ]由此可见，根据PPMS测试导出的实验数据根本无法得到为了计算磁熵变所需的所 测磁性材料的M(H，T)的三维数组。
[0042] 由于上述几点原因，导致无法使用前述计算方法来根据PPMS系统测得的实验数据 来得到所测材料的磁熵变。目前可通过人工辅助以其他数据处理程序如Excel、0rigin等来 完成数据的三维数组，然而，即使借助于这些计算机程序，处理过程往往也需要几个星期甚 至几个月的时间，工作繁杂、枯燥且极易出错。
[0043] 利用方法(一)进行处理时，涉及的变量有T、f
、A S，在计算机数 值处理时这些变量构成了一个五维数组，通常测试得到T的数量、计算的AS在100左右，H、
的数量通常在10000-100000之间，因此这样的一个五维数组的数据量通常
[ 在1016-102()之间，若每个数值采用为双精度存储、运算，那么该五维数值所需要的内存 (RAM)空间大约在101()-1017MB之间，即使降低测量过程中Η的数量，即增大Η的间隔，使H、M、
的数量控制在100-1000之间，该五维数组所需要的内存(RAM)空间也大约在 Η 104-10ηΜΒ之间，再进一步降低Η的数量，尽管可以再降低内存的需求量，但其计算精确度也 会大大降低，将导致结果严重不可信。由此可见，利用方法(一)进行数据处理时，其内存需 求量极大，通常需要大型计算机来进行处理。这就严重制约了其应用场合。
[0044]另外，在研究磁性材料的磁卡效应时，除了分析磁性材料的M-Η曲线，科研人员往
往还需要分析材料的Μ-T曲线 -Η曲线、Δ S-T曲线，参见说明书附图1、2;利用方法 Η (二）只能计算得到指定参数条件下的磁性材料的磁熵变，而不能得到Μ-T曲线、-Η. 曲线、△ S-T曲线，使得对磁性材料的分析研究大打折扣。
[0045]综上所述，现有技术中各种方法都存在着重大缺点，且无法应用于PPMS测量的磁 性材料的数据处理。
【发明内容】
[0046]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种专门适用于PPMS的铁磁性材 料的磁学性质测量方法，可批量获得Μ-T特性曲线.-H特性曲线、Δ S-T特性曲线。
[0047]实现本发明目的具体技术方案是：
[0048] A)按照符合PPMS操作规范的流程，称取一定质量的将待测试的磁性材料，记录下 该质量值，将待测试的磁性材料装入PPMS测量系统中；
[0049] B)在PPMS的控制计算机上设定测试的温度序列值，各个测试温度成等间距序列 (间隔为A T)，Δ T可以取1K、2K、3K、4K、5K、……、10Κ;设定测试的磁场强度，这里所述的磁 场强度是指磁滞回线中的磁场强度的绝对值的最大值，磁场从0增加到正向最大值，再逐渐 变化到负向最大值，然后再逐渐回到正向最大值;在每一个设定的测试温度下，磁性材料均 历经同样的所述磁场扫描，所述Τ指PPMS系统导出的数据文件中的物理量Temperature; [0050] C)在给定温度下给磁性材料施加一随时间变化的外磁场H，测量在所述温度下的 第一条M-Η曲线(也可以称为M-Η磁滞回线、磁化曲线）；上述测试完成后，使温度增加或减少 一固定值，即温度等步长地增大或减小，重复进行上述测量步骤;在每次测量过程中温度保 持恒定不变;依次逐次测量磁性材料的M-Η曲线，直至完成所设定的所有温度序列下的M-H 曲线;所述Η指PPMS系统导出的数据文件中的物理量Magnetic Field，所述Μ指PPMS系统导 出的数据文件中的物理量Moment;
[0051 ]依照PPMS操作规范的流程，导出所测试材料的所有数据，除标题行外，每一行数据 中由温度值、所施加的外磁场强度、所测磁性材料的磁矩构成;根据测量数据量的多少，导 出的测试数据文件可能是一个或多个数据文件，不同的温度、不同的Η值下的测试数据合并 存储在所述一个或多个数据文件中，即使导出的数据文件为多个，在每个单独的数据文件 中，也包含有不同的温度、不同的Η值下的测试数据，且这些Η值的间隔（ΔΗ)是不均匀的；
[0052] D)将步骤C)测试得到的实测数据分割为按温度组合(Μ-HM每列数据Τ相等，但Η 间隔不均匀）的实测数据:逐行读取所导出的测试数据，利用计算机按照设定的测试温度进 行数据分割，将步骤C)中导出的数据文件分割成各个按照设定测量温度值来独立存储Μ-Η 数据的文件，将在每个测试温度下测量得到的(Μ-Η)τ数据分别存储在各自独立的(Μ-Η) τ文 件中，这些分割得到的(Μ-Η)τ文件存储在外存储器中；在每个独立的(Μ-Η)τ文件中，只存储 在测量得到的从正向最大Η值扫描到负向最大Η值的过程的数据；当步骤D)中得到多个数据 文件时，则对多个数据文件轮次进行逐行读取;具体步骤为：
[0053] D-a)从外部存储器（如磁盘等存储器，出于读写效率的考虑，不包括磁带）中逐行 读取所导出的测试数据到计算机内存(RAM)或CPU的高速缓存(Cache)中；当步骤C)中得到 多个数据文件时，对多个数据文件轮次进行逐行读取；当读取第一行（即标题行)时，暂存第 一行(即标题行)的文本内容；
[0054] D-b)当逐行读取测试数据文件的第二行至最后一行时，以PPMS数据导出时所采用 的数据分隔符为不同物理量的分隔判别标志，以步骤C)中所设定的分隔符来区分开不同物 理量（Temperature、Magnetic Fie Id、Moment等），将每一行的原始数据存储于一个临时数 组中；将所读取到的温度实测值取为测试前设定的温度序列中最接近的设定温度值，并在 外部存储器中建立一个包含有该设定温度值为文件名的数据文件，其扩展名可以任意设 定，如.txt，.dat，.bin等等;在所建立的数据文件中，以追加的方式写入步骤D-a)中暂存的 第一行即标题行的内容；
[0055] 在上述步骤D-b)中，还包括：
[0056] 逐行读取第三行、第四行......时，每一次读取到的H(Magnetic Field)值均与上一 次读取到的H(Magnetic Field)值进行比较，以获取在整个测试过程中所施加的外磁场Η (Magnetic Field)的最大值；当读取到的H(Magnetic Field)值比上一次读取到的Η (Magnetic Field)值小时，即将上一次读取到的H(Magnetic Field)值记为Η最大值，以一 个指定的变量来表示这一最大值；
[0057]当读取到外磁场H(Magnetic Field)的最大值的一行测量数据时，开始向位于外 存储器中的、在步骤D-b)中建立的数据文件中以追加的方式逐行记入测量数据，直至读取 到下一不同设定温度值或导出数据文件的结尾为止；
[0058] 当读取到的温度值所对应的设定温度值与上一行的设定温度值不同时，在外存储 器中建立新的包含有该新的设定温度值为文件名的数据文件，文件命名规则前后保持一 致；
[0059] 在上述步骤D-b)关于写入数据文件的操作中，温度值既可以以温度实测值即原始 记录数据写入，也可以以前述所取的测试前设定的温度序列中最接近的设定温度值写入； 每一个物理量的数据均以自定义的分隔符进行隔离；
[0060] D-c)在步骤C)中导出的测试数据文件为多个时，继续遍历其他所有导出的测试数 据文件，重复执行步骤D-b);
[0061 ] D-d)关闭上述过程中所有打开的数据文件；
[0062] E)以计算机外存储器为数据暂存介质，将步骤D得到的按各个温度T单独存储、且 磁场强度Η间隔不均匀的(Μ-Η)τ实测数据转换、存储为按指定磁场强度Η序列单独存储、且Η 值间隔均匀的(Μ-Η)τ数据文件：
[0063]获得指定等间距Η序列下的一系列的（Μ-Τ)η数据文件，构成了（Η，Μ，Τ)三维数组： 根据步骤Ε)分割得的代表不同温度下测量得到的(Μ-Η)τ数据文件，利用计算机按照指定的 Η变化步长△ Η(即对指定Η序列)进行数据采样，获得指定Η序列下的一系列的(Μ-Τ) η数据 文件，所述指定Η序列;Η变化步长过大会导致后续计算过程中误差较大，而Η变化步长过小 则会导致计算效率低下且并不能切实提高计算精确度；
[0064] 步骤Ε)具体步骤如下：
[0065] E-a)在外部存储器中建立一个用于存储按指定磁场强度Η序列、且Η值间隔均匀的 (Μ-Η) τ数据文件的文件夹；
[0066] 指定一系列的Η序列值，所述Η序列值以恒定步长△ Η递增，△ Η依据所需计算精度 而定，通常可选