Advanced Non-Contact Optical Methods for Magnetocaloric Effect Measuring

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Abstract

A big problem in magnetic and, in particular, magnetocaloric studies is the accurate measurement of the temperature of materials, especially in high pulsed and alternating magnetic fields. The disadvantages of the used contact temperature sensors (microthermocouples and film thermistors) are: (1) the influence of electromagnetic interference on their readings, proportional to the time derivative of the magnetic field, (2) their relatively long response time due to thermal inertia, (3) the impossibility of accurate measurement temperatures of thin and microstructured samples. The described difficulties can be avoided by using contactless optical methods for measuring the temperature of magnetic materials in high magnetic fields. This review describes advanced non-contact optical methods for measuring the magnetocaloric effect using known materials as an example, and provides a comparative analysis of the main characteristics of these methods, such as: maximum magnetic field, sampling frequency, time constant and spectral range of the detector, error and temperature resolution.

作者简介

A. Kamantsev

Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: kaman4@gmail.com
Russia, 125009, Moscow

V. Koledov

Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 125009, Moscow

A. Aliev

Amirkhanov Institute of Physics DFRC RAS

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 367003, Republic of Dagestan, Makhachkala

V. Valkov

Galkin Donetsk Institute for Physics and Engineering

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 283048, Donetsk,

A. Golovchan

Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences; Galkin Donetsk Institute for Physics and Engineering

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 125009, Moscow; Russia, 283048, Donetsk,

Yu. Koshkid’ko

Institute of Low Temperature and Structure Research of Polish Academy of Sciences

Email: kaman4@gmail.com
Poland, 50-422, Wrocław,

L. Butvina

Prokhorov General Physics Institute of Russian Academy of Sciences, Dianov Fiber Optics Research Center

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 119333, Moscow,

D. Yusupov

Amirkhanov Institute of Physics DFRC RAS

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 367003, Republic of Dagestan, Makhachkala

A. Amirov

Amirkhanov Institute of Physics DFRC RAS

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 367003, Republic of Dagestan, Makhachkala

V. Shavrov

Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

Email: kaman4@gmail.com
Russia, 125009, Moscow

参考

  1. Кольм Г., Фриман А. Сильные магнитные поля // УФН. 1966. Т. 88. № 4. С. 703–723.
  2. Вонсовский С.В. Ферромагнетизм как проблема упорядочения // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1947. Т. 11. С. 485.
  3. Гинзбург В.А. О поведении ферромагнетиков вблизи точки Кюри // ЖЭТФ. 1947. Т. 17. С. 833–836.
  4. Néel L. Proprietes magnetiques des ferrites-ferrimagnetisme et antiferromagnetisme // Ann. Phys. 1948. V. 3. № 2. P. 137–198.
  5. Bean C.P., Rodbell D.S. Magnetic disorder as a first-order phase transformation // Phys. Rev. 1962. V. 126. № 1. P. 104–115.
  6. Белов К.П. Магнитные превращения. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. 260 с.
  7. Мушников Н.В. Магнетизм и магнитные фазовые переходы: учебное пособие. Екб.: Изд-во Урал. ун-та, 2017. 168 с.
  8. Moya X., Kar-Narayan S., Mathur N.D. Caloric materials near ferroic phase transitions // Nature Mater. 2014. V. 13. № 5. P. 439–450.
  9. Tishin A.M., Spichkin Y.I. The magnetocaloric effect and its applications // Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia. 2003. 480 p.
  10. Franco V., Blázquez J.S., Ipus J.J., Law J.Y., Moreno-Ramírez L.M., Conde A. Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices // Prog. Mater. Sci. 2018. V. 93. P. 112–232.
  11. Соколовский В.В., Мирошкина О.Н., Бучельников В.Д., Марченков В.В. Магнитокалорический эффект в металлах и сплавах // ФММ. 2022. Т. 123. № 4. С. 339–343.
  12. Levitin R.Z., Snegireva V.V., Kopylov A.V., Lagutin A.S., Gerber A. Magnetic method of magnetocaloric effect determination in high pulsed magnetic fields // J. Magn. Magn. Mater. 1997. V. 170. № 1. P. 223–227.
  13. Dan’kov S.Yu., Tishin A.M., Pecharsky V.K., Gschneidner Jr. K.A. Magnetic phase transitions and the magnetothermal properties of gadolinium // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. № 6. P. 3478–3490.
  14. Marioni M.A., O’Handley R.C., Allen S.M. Pulsed magnetic field-induced actuation of Ni–Mn–Ga single crystals // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. № 19. P. 3966–3968.
  15. Kohama Y., Jaime M., Marcenat C., Klein T. AC measurement of heat capacity and magnetocaloric effect for pulsed magnetic fields // Rev. Sci. Instrum. 2010. V. 81. № 10. P. 104902.
  16. Kihara T., Katakura I., Tokunaga M., Matsuo A., Kawaguchi K., Kondo A., Kindo K., Ito W., Xu X., Kainuma R. Optical imaging and magnetocaloric effect measurements in pulsed high magnetic fields and their application to Ni–Co–Mn–In Heusler alloy // J. Alloy. Comp. 2013. V. 577. P. S722–S725.
  17. Kihara T., Kohama Y., Hashimoto Y., Katsumoto S., Tokunaga M. Adiabatic measurements of magneto-caloric effects in pulsed high magnetic fields up to 55 T // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. № 7. P. 074901.
  18. Gottschall T., Skourski Y., Zavareh M.G., Wosnitza J., Kuz’min M.D., Skokov K.P., Fries M., Gutfleisch O., Schlagel D.L., Mudryk Y., Pecharsky V. Magnetocaloric effect of gadolinium in high magnetic fields // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. № 13. P. 134429.
  19. Kihara T., Tokunaga M., Xu X., Kainuma R., Ito W. Direct measurements of inverse magnetocaloric effects in metamagnetic shape-memory alloy N–CoMnIn // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. № 21. P. 214409.
  20. Nayak A.K., Mejia C.S., D’Souza S.W., Chadov S., Felser C., Nicklas M., Skourski Y. Large field-induced irreversibility in Ni–Mn based Heusler shape-memory alloys: A pulsed magnetic field study // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. № 22. P. 220408.
  21. Zavareh M.G., Skourski Y., Wosnitza J., Salazar Mejía C., Nayak A.K., Felser C., Nicklas M. Direct measurements of the magnetocaloric effect in pulsed magnetic fields: The example of the Heusler alloy Ni50Mn35In15 // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. № 7. P. 071904.
  22. Salazar Mejía C.S., Nayak A.K., Felser C., Nicklas M., Ghorbani Zavareh M., Skourski Y., Wosnitza J. Pulsed high-magnetic-field experiments: New insights into the magnetocaloric effect in Ni–Mn–In Heusler alloys // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. № 17. P. 17E710.
  23. Gottschall T., Skokov K.P., Gutfleisch O., Scheibel F., Acet M., Farle M., Zavareh M.G., Skourski Y., Wosnitza J. Dynamical Effects of the Martensitic Transition in Magnetocaloric Heusler Alloys from Direct ΔTad Measurements under Different Magnetic-Field-Sweep Rates // Phys. Rev. Appl. 2016. V. 5. № 2. P. 024013.
  24. Zavareh M.G., Skourski Y., Zvyagina L., Wosnitza J., Skokov K.P., Karpenkov D.Y., Gutfleisch O., Waske A., Haskel D., Zhernenkov M. Direct Measurement of the Magnetocaloric Effect in La(Fe,Si,Co)13 Compounds in Pulsed Magnetic Fields // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 8. № 1. P. 014037.
  25. Gottschall T., Kuz’min M.D., Skokov K.P., Skourski Y., Fries M., Gutfleisch O., Ghorbani Zavareh M., Schlagel D.L., Mudryk Y., Pecharsky V., Wosnitza J. Magnetocaloric effect of gadolinium in high magnetic fields // Phys. Rev. B. 2019. V. 99. P. 134429.
  26. Каманцев А.П., Амиров А.А., Кошкидько Ю.С., Салазар Мехиа К., Маширов А.В., Алиев А.М., Коледов В.В., Шавров В.Г. Магнитокалорический эффект в сплаве Fe49Rh51 в импульсных магнитных полях до 50 T // ФТТ. 2020. Т. 62. № 1. С. 117–120.
  27. Koshkid’ko Y.S., Cwik J., Rogacki K., Dilmieva E.T., Kamantsev A.P., Mashirov A.V., Shavrov V.G., Koledov V.V., Khovaylo V.V., Mejia C.S., Zagrebin M.A., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D., Ari-Gur P., Bhale P. Magnetocaloric effect and magnetic phase diagram of Ni–Mn–Ga Heusler alloy in steady and pulsed magnetic fields // J. Alloy. Comp. 2022. V. 904. P. 164051.
  28. Salazar Mejía C., Niehoff T., Straßheim M., Bykov E., Skourski Y., Wosnitza J., Gottschall T. On the high-field characterization of magnetocaloric materials using pulsed magnetic fields // J. Phys. Energy. 2023. V. 5. P. 034 006.
  29. Лоско К., Метте Г. Погрешности термопар при измерении температуры в магнитных полях / Измерение температур и объектах новой техники // Мир, М. 1965. С. 29–36.
  30. Sample H.H., Neuringer L.J., Rubin L.G. Low temperature thermometry in high-magnetic fields. III Carbon resistors (0.5–4.2 K); thermocouples // Rev. Sci. Instrum. 1974. V. 45. № 1. P. 64–73.
  31. McDonald D.W. Temperature measurement error due to the effects of time varying magnetic fields on thermocouples with ferromagnetic thermoelements // Rev. Sci. Instrum. 1977. V. 48. № 8. P. 1106–1107.
  32. Kollie T.G. Thermocouple errors due to magnetic field // Rev. Sci. Instrum. 1977. V. 48. № 5. P. 501–511.
  33. Shir F., Mavriplis C., Bennett L.H. Effect of magnetic field dynamics on the copper-constantan thermocouple performance // Instrum. Sci. Technol. 2005. V. 33. № 6. P. 661–671.
  34. Bourg M.E., Van der Veer W.E., Grüell A.G., Penner R.M. Electrodeposited submicron thermocouples with microsecond response times // Nano Lett. 2007. V. 7. № 10. P. 3208–3213.
  35. Cugini F., Porcari G., Solzi M. Non-contact direct measurement of the magnetocaloric effect in thin samples // Rev. Sci. Instrum. 2014. V. 85. № 7. P. 074 902.
  36. Cugini F., Porcari G., Viappiani C., Caron L., dos Santos A.O., Cardoso L.P., Passamani E.C., Proveti J.R.C., Gama S., Brück E., Solzi M. Millisecond direct measurement of the magnetocaloric effect of a Fe2P-based compound by the mirage effect // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. № 1. P. 012 407.
  37. Cugini F., Orsi D., Bruck E., Solzi M. Direct measurement of the magnetocaloric effect on micrometric Ni–Mn–(In, Sn) ribbons by the mirage effect under pulsed magnetic field // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 113. № 13. P. 232 405.
  38. Amirov A.A., Kamantsev A.P., Aliev A.M., Cugini F., Solzi M., Koledov V.V., Shavrov V.G., Gottschall T., Spichkin Yu.I. Direct measurements of the magnetocaloric effect of Fe49Rh51 using the mirage effect // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. № 23. P. 233905.
  39. Christensen D.V., Bjørk R., Nielsen K.K., Bahl C.R.H., Smith A., Clausen S. Spatially resolved measurements of the magnetocaloric effect and the local magnetic field using thermography // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. № 6. P. 063913.
  40. Hirayama Y., Iguchi R., Miao X.F., Hono K., Uchida K.I. High-throughput direct measurement of magnetocaloric effect based on lock-in thermography technique // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. № 16. P. 163901.
  41. Pereira M.J., Santos T., Correia R., Amaral J., Amaral V.S., Fabbrici S., Albertini F. Direct measurement and imaging of magnetocaloric effect inhomogeneities at the microscale in Ni44Co6Mn30Ga20 with infrared thermography // J. Magn. Magn. Mater. 2021. V. 538. P. 168 283.
  42. Pereira M.J., Santos T., Correia R., Amaral J., Amaral V.S., Fabbrici S., Albertini F. Mapping the magnetocaloric effect at the microscale on a ferromagnetic shape memory alloy with infrared thermography // J. Phys.: Mater. 2023. V. 6. № 2. P. 024 002.
  43. Döntgen J., Rudolph J., Gottschall T., Gutfleisch O., Salomon S., Ludwig A., Hägele D. Temperature dependent low-field measurements of the magnetocaloric ΔT with sub-mK resolution in small volume and thin film samples // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. № 3. P. 032 408.
  44. Döntgen J., Rudolph J., Waske A., Hägele D. Modulation infrared thermometry of caloric effects at up to kHz frequencies // Rev. Sci. Instrum. 2018. V. 89. № 3. P. 033 909.
  45. Döntgen J., Rudolph J., Gottschall T., Gutfleisch O., Hägele D. Millisecond dynamics of the magnetocaloric effect in a first-and second-order phase transition material // Energy Technol. 2018. V. 6. № 8. P. 1470–1477.
  46. Kamantsev A.P., Koledov V.V., Mashirov A.V., Shavrov V.G., Yen N.H., Thanh P.T., Quang V.M., Dan N.H., Los A.S., Gilewski A., Tereshina I.S., Butvina L.N. Measurement of magnetocaloric effect in pulsed magnetic fields with the help of infrared fiber optical temperature sensor // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 440. P. 70–73.
  47. Каманцев А.П., Коледов В.В., Шавров В.Г., Бутвина Л.Н., Головчан А.В., Сиваченко А.П., Тодрис Б.М., Вальков В.И., Кошелев А.В., Шандрюк Г.А. Магнитокалорический эффект и намагниченность композитного материала на основе MnAs в импульсных магнитных полях до 40 кЭ // Челябинский физико-математический журнал. 2020. Т. 5. № 4. С. 537–544.
  48. Каманцев А.П., Коледов В.В., Шавров В.Г., Бутвина Л.Н., Головчан А.В., Вальков В.И., Тодрис Б.М., Таскаев С.В. Магнитокалорический эффект и намагниченность гадолиния в квазистационарных и импульсных магнитных полях до 40 кЭ // ФММ. 2022. Т. 123. № 4. С. 448–452.
  49. Butvina L. Polycrystalline fibers. Chapter 6. Infrared fiber optics // CRC press, Cop. 1998. P. 209–249.
  50. Butvina L.N., Kolesnikov Y.G., Prokashev V.A. Crystalline fibres for the IR region // Soviet lightwave communications. 1991. V. 1. № 1. P. 65–70.
  51. Butvina L.N., Sereda O.V., Dianov E.M., Lichkova N.V., Zagorodnev V.N. Single-mode microstructured optical fiber for the middle infrared // Optics letters. 2007. V. 32. № 4. P. 334–336.
  52. Бутвина А.Л., Бутвина Л.Н., Охримчук А.Г. Одномодовые экструзионные поликристаллические световоды галогенидов серебра с потерями меньше 1 дБ/м для СО2 лазера // Прикладная фотоника. 2020. Т. 7. № 4. С. 61–75.
  53. Пилюшко С.М., Умнов В.О., Зараменских К.С., Кузнецов М.С., Бутвина Л.Н., Полякова Г.В., Морозов М.В., Демина А.Ю. Технология производства оптического волокна ИК-диапазона из галогенидов серебра и таллия и его применение в промышленности // Оптические технологии, материалы и системы. Сборник докладов Международной научно-технической конференции ИПТИП РТУ МИРЭА. 2022. С. 234–239.
  54. Рогальский А. Инфракрасные детекторы // Наука, Новосибирск. 2003. 636 с.
  55. Пономаренко В.П. Теллурид кадмия–ртути и новое поколение приборов инфракрасной фотоэлектроники // УФН. 2003. Т. 173. № 6. С. 649–665.
  56. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. 384 с.
  57. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. Волоконно-оптические датчики. Ленинград: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.
  58. Алексеев Н.Г., Прохоров В.А., Чмутов К.В. Современные электронные приборы и схемы в физико-химическом исследовании. М.: Химия, 1971. 496 с.
  59. Пономаренко В.П. Квантовая фотосенсорика. М.: НПО Орион, 2018. 647 с.
  60. Brück E., Tegus O., Thanh C.D.T., Trung N.T., Buschow K.H.J. A review on Mn based materials for magnetic refrigeration: Structure and properties // Inter. J. Refrig. 2008. V. 31. № 5. P. 763–770.
  61. Koshkid’ko Y.S., Cwik J., Rogacki K., Kowalska D., Dilmieva E.T., Kamantsev A.P., Koledov V.V., Mashirov A.V., Shavrov V.G., Valkov V.I., Golovchan A.V., Sivachenko A.P., Shevyrtalov S.N., Rodionova V.V., Shchetinin I.V., Sampath V. Giant reversible adiabatic temperature change and isothermal heat transfer of MnAs single crystals studied by direct method in high magnetic fields // J. Alloy. Comp. 2019. V. 798. P. 810–819.
  62. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел универсал, 2002. 87 с.
  63. Lhéritier P., Nouchokgwe Y., Kovacova V., Torelló À., Defay E., Hong C.-H., Jo W. Measuring lead scandium tantalate phase transition entropy by infrared camera // J. Europ. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 14. P. 7000–7004.
  64. Morozov E., Kuznetsov D., Kalashnikov V., Victor K., Shavrov V. Thermoelastic properties and elastocaloric effect in rapidly quenched ribbons of Ti2NiCu alloy in the amorphous and crystalline state // Crystals. 2021. V. 11. № 8. P. 949.
  65. Каманцев А.П., Амиров А.А., Юсупов Д.М., Головчан А.В., Ковалёв О.Е., Комлев А.С., Алиев А.М. Магнитокалорический эффект в композитах на основе La(Fe,Mn,Si)13Hx: эксперимент и теория // ФММ. 2023. Т. 124. № 11. С. 1074–1085.
  66. Kuo P.K., Lin M.J., Reyes C.B., Favro L.D., Thomas R.L., Kim D.S., Zhang S., Inglehart L.J., Fournier D., Boccara A.C., Yacoubi N. Mirage-effect measurement of thermal diffusivity. Part I: experiment // Can. J. Phys. 1986. V. 64. № 9. P. 1165–1167.
  67. Boccara C., Fournier D., Badoz J. Thermo-optical spectroscopy: Detection by the “mirage effect” // Appl. Phys. Lett. 1980. V. 36. № 2. P. 130–132.
  68. Скворцов Л.А. Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии. М.: Техносфера, 2019. 220 с.
  69. Kamantsev A.P., Amirov A.A., Zaporozhets V.D., Gribanov I.F., Golovchan A.V., Valkov V.I., Pavlukhina O.O., Sokolovskiy V.V., Buchelnikov V.D., Aliev A.M., Koledov V.V. Effect of Magnetic Field and Hydrostatic Pressure on Metamagnetic Isostructural Phase Transition and Multicaloric Response of Fe49Rh51 Alloy // Metals. 2023. V. 13. № 5. P. 956.
  70. Bonadio T.G., Pezarini R.R., Medina A.N., Zanuto V.S., Baesso M.L., Montanher D.Z., Astrath N.G. Thermoelastic properties across martensitic transformation of Ni2MnGa Heusler alloy from time-resolved photothermal mirror // Phys. B: Cond. Matt. 2021. V. 605. P. 412 713.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2.

下载 (217KB)
3.

下载 (380KB)
4.

下载 (194KB)
5.

下载 (363KB)
6.

下载 (347KB)
7.

下载 (623KB)
8.

下载 (107KB)
9.

下载 (235KB)
10.

下载 (1MB)
11.

下载 (249KB)
12.

下载 (347KB)
13.

下载 (211KB)
14.

下载 (307KB)
15.

下载 (242KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».