Расчет поля постоянного цилиндрического магнита

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

ДНЕВНИК

Производственной практики

 

 

Студента 4 курса Ольшанова Дмитрия Валерьевича

 

 

Учебной группы МЭ-41 СО/010803.65

 

 

Вид практики: производственная

 

 

Сроки практики: 6.07.2012 – 19.07.2012

 

 

Место практики Ярославский Филиал Учреждения Российской академии наук Физико-Технологического института РАН (ЯФ ФТИАН)

 

Руководитель практики: с.н.с. Постников А.В.

 

 

________________________

(подпись студента)

 

Ярославль 2012 г.

Тема практики:

Расчет магнитного поля постоянного цилиндрического магнита

Задание на производственную практику и календарный план выполнения работ:

 

1. Знакомство с текущей научной деятельностью Ярославского Филиала Учреждения Российской академии наук Физико-Технологического института РАН (ЯФ ФТИАН)

 

2. Расчет магнитного поля постоянного цилиндрического магнита.

 

Задание выдал: ________________________________________________

(подпись руководителя, дата)

 

 

Задание получил: ______________________________________________

(подпись студента, дата)

 

Заключение научного руководителя (заполняется после завершения практики)

 

__________________________

(подпись, фамилия руководителя)

 

 

1. Общие сведения о ЦКП

Центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика микро- и наноструктур» (ЦКП ДМНС) создан при Ярославском госуниверситете 1 ноября 2006 г., приказ № 382, решение Ученого совета ЯрГУ от 24.10.2006 г.

C 07.11.2007 г. ЦКП ДМНС - интегрированное структурное подразделение ЯрГУ и ФТИАН.

С июня 2008 г. Центр участвует в мероприятиях Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

 

2. Области и основные направления научных исследований

Комплексные исследования в области микро- и наноэлектроники. Разработка физических, технологических и метрологических основ создания критических элементов структур интегральных приборов наноэлектроники. Методы диагностики микро- и наноструктур электроники, наноматериалов, биоорганических нанообъектов. Разработка нанокомпозитных и наноструктурированных материалов для солнечной энергетики и химических источников тока.

 

Лаборатории

1. Лаборатория диагностики микро- и наноструктур

2. Лаборатория наноэлектроники и спинтроники

3. Лаборатория исследования формирования многослойных структур.

4. Лаборатория физики и технологии наноструктур.

 

 

4. Методики

Вторичная ионная масс-спектрометрия:

- послойный физико-химический анализ конструкционных материалов;

- послойный анализ функциональных элементов интегральных микросхем;

- послойный анализа сверхрешеток;

- контроль дозы легирующих примесей в полупроводниках и структурах на их основе;

- физико-химический анализ микрочастиц с размерами менее 0,1 мкм

- трехмерный анализа распределения элементов;

- исследования примесей и дефектов в кристаллах и минералах;

- физико-химический анализ биоорганических нанообъектов;

- количественный микроанализ для геологии и экологии.

Сканирующая электронная микроскопия:

- исследование морфологии и дефектоскопия конструкционных материалов и деталей;

- исследование наночастиц и наноматериалов;

- исследование и диагностика приборов микро- и наноэлектроники;

- исследование биологических нанообъектов;

- исследование материалов химической промышленности.

Сканирующая зондовая микроскопия и профилометрия:

- исследование топографии поверхности конструкционных материалов;

- исследование морфологии поверхности полимерных и органических материалов;

- исследование поверхности материалов и приборов микро- и наноэлектроники;

- исследование биомакромолекул и живых клеток.

- диагностика образцов в 3D-нанозондовой системе субатомарного разрешения;

- электрофизические измерения структур микро- и наноэлектроники в 3D-нанозондовой системе субатомарного разрешения;

- нанолитографии в 3D-нанозондовай системе субатомарного разрешения;

- спектроскопические исследования структур микро- и наноэлектроники в 3D-нанозондовой системе субатомарного разрешения.

Рентгеноструктурный анализ:

- определение одной или нескольких фаз в неизвестной пробе;

- количественное определение известных фаз в смеси;

- определение структуры кристаллов и параметров элементарной ячейки;

- анализ поведения вещества в различных газовых средах, если структура кристаллов изменяется при изменении температуры, давления или газовой фазы;

- анализ поверхности и тонких пленок;

- анализ текстуры, возникающей в условиях прокатки, волочения

Просвечивающая электронная микроскопия:

- контроль продуктов современных литографических технологий;

- исследование микро- и нанорельефа поверхности образца и получение стереоизображения топографии поверхности;

- анализ распределения химических элементов в объекте (на основе рентгеноспектрального анализа);

- исследование точечных и линейных дефектов материалов – вакансий и дислокаций;

- анализ распределения потенциалов в сложных микроизделиях;

- исследование распределения магнитных полей в образце;

- метрология микроизделий.

Оже-спектроскопия

- сканирующая электронная микроскопия;

- оже-электронная спектроскопия;

- сканирующая электронная микроскопия и оже-электронная спектроскопия.

Фотовольтаика

измерение и анализ световых и темновых вольтамперных характеристик солнечных элементов.

 

5. Оборудование

1. Времяпролетный масс-спектрометр IONTOF SIMS5 (ION-TOF GmbH, ФРГ) – 2007 г. выпуска.

2. Вторичный ионный масс-спектрометр IMS-4F (CAMECA, Франция) – 1986 г. выпуска.

3. Просвечивающий электронный микроскоп Tecnai G2 F20 U-TWIN (FEI, Нидерланды) – 2009 г. выпуска.

4. Автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп с комплексом диагностики наноструктур Supra 40 (Carl Zeiss, ФРГ) с приставкой INCAx-act (Qxford Instruments) - 2008 г. выпуска.

5. Растровый электронный микроскоп в комплекте с рентгеновским спектрометром Ultra 55 (Leo Supra) (Zeiss, Германия) – 2006 г. выпуска.

6. Микроскоп электронный LEO 430 SEM (Carl Zeiss, Германия - Великобритания) – 1992 г. выпуска.

7. 3D-нанозондовая система «GPI- Cryo-SEM» - сканирующий туннельный микроскоп на базе вакуумной системы СЭМ Supra 40 с системой пробоподготовки (Протон-МИЭТ) – 2009 г. выпуска.

8. Класс мультимикроскопов CM-2000 и профилометров модели 130 (ЗАО «Протон-МИЭТ», Россия) – 2008 г. выпуска.

9. Спектрометр Оже PHI-660 (Perkin-Elmer, США) – 1987 г. выпуска.

10. Спектрометр ИК Фурье IFS-113v (Bruker, Германия) – 1988 г. выпуска.

11. Измерительный комплекс Oriel I-V (Newport, США) – 2009 г. выпуска.

12. Трехмерный оптический бесконтактный анализатор структуры поверхности с системой высокоточного позиционирования образцов ZYGO New View (ZYGO, США) – 2005 г. выпуска.

13. Рентгеновский дифрактометр ARL X'tra (Thermo Fisher Scientific, Швейцария) – 2010 г. выпуска.

14. Калориметр дифференциальный сканирующий DSC 204/1/G Phoenix (MAVEG, Германия) – 2002 г. выпуска.

15. Установка ионной имплантации с системой RBS анализа K2MV (НVЕЕ, Нидерланды) – 1989 г. выпуска.

16. Электронно-литографический комплекс RAITH 150D (Raith, Германия) – 2006 г. выпуска,.

17. Установка плазмохимического осаждения MINI GOUPYL (Alcatel, Франция) – 1989 г. выпуска.

 

Расчет поля постоянного цилиндрического магнита.

Вектор индукции магнитного поля равен [1]

где - оператор Набла, - векторный потенциал.

где Гн/м, - плотность тока в А/м², - элемент объема в м³. Подставим (2) в (1):

Если намагниченность сосредоточенна в объеме V, тогда (1) и (2) примут вид [2]:

Расчет проведен для цилиндрического постоянного магнита с намагниченностью А/м. Начало цилиндрической системы координат помещено на торце магнита (см. рис. 1).

Рис. 1. Постоянный цилиндрический магнит.

Для магнита с однородной намагниченностью вдоль оси

Тогда, плотность тока

 

Из (7) следует, что интеграл по объему в (5) равен нулю. На основании (8), магнитная индукция примет вид

Для вычисления магнитной индукции необходимо расписать (9) по компонентам. z - компонента магнитной индукции вдоль оси цилиндра Oz:

z - компонента магнитной индукции на расстоянии r:

Радиальная компонента магнитной индукции вдоль оси цилиндра Oz:

Радиальная компонента магнитной индукции:

На основании формул (10)-(13) численно рассчитаны в пакете MatLab [3] значения магнитной индукции для разных проекций (см. рис. 2-4) для цилиндрического магнита радиуса R = 10 мм, и высотой L = 10 мм. Текст программы представлен в приложении А.

Рис. 2. z - компонента магнитной индукции вдоль оси цилиндра Oz.

Рис. 3. z - компонента магнитной индукции на расстоянии r от оси у торца магнита (z = 0).

 

Рис. 4. r - компонента магнитной индукции вдоль оси цилиндра Oz.

Рис. 5. r - компонента магнитной индукции вдоль радиального направления.

Заключение

В ходе производственной практики я ознакомился с основным оборудованием центра коллективного пользования «Диагностика микро- и наноструктур», узнал о методиках работы на данном оборудовании, познакомился с основными направлениями научных исследований. Провел расчет магнитного поля постоянного цилиндрического магнита.

 

Список литературы

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. Т. II. Теория поля. – 8-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 536 с.

2. Edward P.F. Permanent Magnet and Electromechanical Devices. Material, Analysis, and Applications. San Diego: Academic Press, 2001. – 518 p.

3. Кеткво Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 7: программирование, численные методы. – СПб.: БХВ – Петербург, 2005. – 752 с.

 

 

Приложение А