"ibrating Sample Magnometer (VSM) tipe Oxford VSM 1.2H (Mujamilah)

VIBRATING SAMPLE MAGNETOMETER (VSM)TIPE OXFORD VSM1.2H

.s ybMujamilah, Ridwan, M. Refai Muslich, Setyo Purwanto, M.I. Maya Febri,

Yohannes,A.M, Eddy Santoso, Berry MugirahardjoPuslitbang Iptek Bahan (P3IB) -BAT AN

ABSTRAK

VIBRATING SAMPLE MAGNETOMETER (VSM) tipe OXFORD VSMl.2H. Seperangkat fasilitas pengukuransifat magnetik bahan VSM (Vibrating Sample Magnetometer) tipe OXFORD VSMI.2H telah selesai dipasang dan diuji cobabaru-baruini di Laboratorium Magnetik-BZM-P3IB, BAT AN. Laporan inimembahas tentang prinsip kerja, spesifikasi dankarakterisitik peralatan serta hasiluji coba yang telah dilakukan. Hasil uji coba menunjukkan kemampuan peralatan yang baikdalam mengukur magnetisasi bahan sebagai fungsi medan luar (kurva histeresis) untuk cuplikan uji yang berbentuk padatan danlapisan tipis, dan dalam mengukur magnetisasi bahan sebagai fungsi suhu pacta rentang suhu (100 -300) K.

Kala Kunc; : Magnetometer ,magnetisasi bahan, kurva histerisis.

ABSTRACT

VIBRATING SAMPLE MAGNETOMETER (VSM) OXFORD VSMl.2H TYPE. A set offacility to measure mag-netic properties of materials, i.e. a Vibrating Sample Magnetometer (VSM) mode! OXFORD VSMI.2H has been recentlyinstalled and tested in the Laboratory of Magnetic Materials in Solid State Division, R&D Center for Materials Research andTechnology, BAT AN. This paper reports the principle of the apparatus, its technical specification and some testing measure-ments. The testing results show that the apparatus performs correctly in measuring hysteresis curves of bulk and thin filmsamples, as well as in measuring magnetization versus temperature at the range of 100 -300 K.

Key Word: Magnetometer, magnetization, hysteresis curved.

PENDAHULUAN c.

~;Pada saat ini di laboratorium Magnetik-Bidang Zat

Mampat -P JIB -BAT ANtelah terpasang alat VibratingSample Magnetometer (YSM), tipe OXFORD YSMI.2H(lihat Gambar I.). Alat ini merupakan salah satu jenisperalatan yang digunakan untuk mempelajari sifatmagnetik bahan. Dengan alat ini akan dapat diperolehinformasi mengenai besaran-besaran sifat magnetiksebagai akibat perubahan medan magnet luar yangdigambarkan dalam kurva histeresis, sifat magnetik bahansebagai akibat perubahan suhu, daD sifat-sifat magnetiksebagai fungsi sudut pengukuran atau kondisianisotropik bahan. Prinsip kerja, spesifikasi alat, tahapandaD hasil pengukuran yang telah dilakukan akandijelaskan dalam laporanini.

:~~.1;i:;,!;.Gambar I. Seperangkat Vibrating Sample Magnetometer(VSM) tipe OXFORD VSMl.2H.

magnetisasi ini, yaitu metoda induksi (induction method)daD metoda gaya (force method) [1]. Pacta metoda induksi,magnetisasi diukur dari sinyal yang ditimbulkan/diinduksikan oleh cuplikan yang bergetar dalam

lingkunganmedan magnet pacta sepasang kumparan.Sedangkan pacta metoda gay a pengukuran

dilakukan pacta besamya gaya yang ditimbulkan pactacuplikan yang berada dalam gradien medan magnet. VSM(VibratingSamp/eMagnetometer) adalah merupakansalah satualat ukurmagnetisasi yang bekerja berdasarkanmetoda induksi [2] .

PRINSIP KERJA DAN SPESIFIKASIALAT

1. Prinsip Kerja Alat

Semua bahan mempunyai momen magnetikjikaditempatkan dalam medan magnetik. Momen magnetikper satuan volume dikenal sebagai magnetisasi. Secaraprinsip ada dua metoda untuk mengukur besar

77

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN 1411 -7630

Pacta metoda ini, cuplikan yang alan diukurmagnetisasinya dipasang pacta ujung bawah batang kakuyang bergetar secara vertikal dalam lingkungan medanmagnet luar H. Jika cuplikan termagnetisasi, secarapermanen ataupun sebagai respon daTi adanya medanmagnet luar, getaran ini alan mengakibatkan pembahangaris gaya magnerik Perubahan ini akan menginduksikan/menimbulkan suatu sinyal tegangan AC pacta kumparanpengambil (pick-up coil atau sense coil) yangditempatkan secara tepat dalam sistem medan magnetini. Dengan memakai hukum Biot-Savart untuk sistemmedan dipol [2], tegangan induksi diberikan sebagai :

Voc AfmG(x,y,z) (1)

dengan:

2. Spesifikasi Alat

Diagram blok pacta Gambar 2 berikut inimenggambarkan rangkaian sistem pacta VSM tipeOXFORD VSM I. 2H yang bekerja sesuai prinsip diatas

[3]. Sedangkan spesifikasi bagian-bagian penyusun VSMini diberikan pacta Tabell [4].

TAHAPAN PENGUKURAN

1. Penentuan Posisi Cuplikan

Dari pembahasan tentang prinsip keIja alat diperolehbahwa tegangan yang terinduksi pacta kumparan akan

bergantung pacta posisi cuplikan yang digambarkandenganfungsi sensitivitas G (x,y,z). Untukmendapatkansinyal atau G(x,y,z) yang optimum, maka cuplikan perInditempatkan pacta posisi pusat kesetimbangan sistemkumparan.

Dalam VSM ti~OXFORD VSMI.2Hinikumparcmdidesain dengan model Mallinson 4 kumparan [4] denganarab medan adalah horizontal dan tegak luTUS pacta arabgetaran. Optirnasi G pacta arab x dan y telah dilakukanpacta saat pemasangan peralatan daB pengesetankumparan. Sedangkan optimasi dalam arab z perIndilakukan pada setiap tahapan pengukuran. Untukmendapatkan posisi optimum dalam arab z dilakukanpengukuran sinyal sebagai fungsi z. Kurva yang

diperoleh bempa profil seperti yang ditunjukkan pactaGambar 3. Posisi optimum akan diberikan pacta titik simetripada kurva yaitu pada posisi A.

A : amplitudo getaran cuplikan,f : frekuensi getaran cuplikan,m : momen magnetik,G(x,y;z) : fungsi sensitivitas, yang enunjukkan

adanya kebergantungan sinyalpacta posisi cuplikan dalam sistem

kwnparan.Selanjutnya sinyal AC ini akan dibaca oleh

ran~an pre-ampdan Lock-in amplifier. Frekuensi dariLock-in amplifier diset sarna dengan frekuensi getaransinyal referensi dari pengontrol getaran cuplikan. Lock-in amplifier ini akan membaca sinyal tegangan darikumparan yang sefasa dengan sinyal referensi.

Kumparan pengarnbilbiasanya dirangkai berpasangandengan kondisi arab lilitan yang berlawanan. Hal ini untukmenghindari terbacanya sinyal yang berasal dari selaincuplikan, misalnya dari akibat adanya perubahan medanmagnet luar itu sendiri. Selanjutnya dalam prosespengukuran, medan magnet luar yang diberikan, suhucuplikan, sudut dan interval waktu pengukuran dapatdivariasikan melalui kendali komputer. Komputer akanmerekam data tegangan kumparan sebagai fungsi medanmagnet luar, suhu, sudut ataupun waktu.

~at~~

A*

I[~.;;;~--

~Gambar 3. Profil sinyal terinduksi pada kumparan modelMallinson 4 kumparan.

U ntuk pengukuran cuplikan dengan kondisi sifatmagnet bergantung sudut (anisotropik), optimasi posisicuplikan terhadap sudut pengukuran juga perludilakukan, yaitu dengan memutar cuplikan pada sumbuputarnya atau mengukur sinyal sebagai fungsi sudutantara arah medan dan orientasi cuplikan.

~,

~~t ~~,t---'U1~;:1

Gambar 2. Diagram blok seperangkat sistem OXFORDVSMl.2H.

78

J-ibrating Sample Magnometer (VSM) fiFe Oxford VSM 1.2H (Mujamilah)

Tabel I. Spesiflkasi VSM tipe OXFORD VSMI.2H.

Electromagnet Horizontal,-IT-IT50 Gauss/sec0,1%1 Gauss1 Gauss

Sistem Medan Magnet LuarTipeDaerah kerjaLaju perubahan medan maksimumHomogenitasResolusi MedanStabilitas Medan

Sistem Perubah Suhu LingkunganTipeSphu operasi

Cryostat dengan aliran cryogen kontinu(4,2 -300) K(dengan pendi~ Hecair)(90 -300) K (dengan pendingin Nz cair)0,05 (4,2 -77) K, 0,1 K (77 -300)K10 K dalam 10 menit dengan 0,2 K lonjakan

Stabilitas suhuPerubahan suhu

Sistem PengukuranDaerah pengukuran teganganKonstan waktu pengukuranSinyalLatar belakangResolusi pengukuranDaerah penempatan cuplikanAkurasi penempatan cuplikanRotasi cuplikanA,ffiplitudo getaranFrekuensi getaran

(O,1-1000)mV1 msec -10 sec..5 x 10 emu/T..1 x 10 emu20mm

O,O05mm720.

(0 -1,5) mm(40 -80) Hz (untuk sistem ini frekuensidisettetap pacta 55 Hz)

SistemPengendali dan Pmgolah DataPerangkat Keras PC Pmtiwn P5/166

IPeran!!kat Lunak , OXFORD ObiectBench Software I

2. Kalibrasi

Z (mm)

Gambar4. Profil kurva V terhadap z untuk cuplikan standar N

3. Faktor Koreksi daD Analisis Data

Secara umum ketelitian hasil pengukurandipengaruhi oleh bentuk dan ukuran cuplikan, sertaparameter pengukuran. Koreksi data yang berkaitandengan bentuk dan ukuran cuplikan dilakukan denganmengukur cuplikan sekecil mungkin, dibandingkandengan dimensi kumparan untuk memenuhi pendekatandipol yang digunakan pada asumsi prinsip kerja alat ini.Selain itu bentuknya juga seidentik mungkin dengancuplikan standar yang digunakan.

Untuk pengukuran histeresis (M terhadap H),data yang terukur adalah data magnetisasi sebagaifungsimedan magnet luar yang diberikan (applied field, H.).Pada proses pengukuran bahan magnet permanen, akantimbul medan internal yang berlawanan dengan arahmagnetisasi. Medan ini dikenal sebagai medandemagnetisasi. Besar medan ini akan bergantung pactabentuk/ dimensi cuplikan serta medan luar yang diberikan[1,5]. Untuk itu data yang diperoleh harus dikoreksi

Dari pembahasan tentang prinsip dasar diperolehbahwa, luaran pengukuran yang diperoleh adalah bempadata tegangan AC sebagai fungsi berbagai variabel(medan magnet luar, sUhu, sudut, waktu). Dari persamaan1 diperoleh bahwa data tegangan ini akan sebandingdengan harga momen magnetik/magnetisasi cuplikan.Untuk mengubah data tegangan ini menjadi data momenmagnetik perlu dilakukan tahapan kalibrasi. Pada tahapanini dilakukan pengukuran pada cuplikan standar yaitucuplikan yang telah diketahui harga magnetisasinyadengan pasti, seperti Ni. Pengukuran dilakukan padamedan magnet luar cukup tinggi sehingga cuplikanstandar dalam keadaan termagnetisasi jenuh. Datategangan yang temkur pada poisis cuplikan optimumselanjutnya dibandingkan dengan data magnetisasibahan standar tersebut. Untuk cuplikan standar Ni, datamagnetisasi secara empiris dihitung berdasarkanpersamaan [4] di bawah ini :

M = 55,25 -(T -294)*0,028 + ~ -1 )*0,11 emu/gram (2)

dengan : T : suhu pengukuran (dalam K) dan H : medanmagnet luar (dalamTesla).

Data tegangan hasil pengukuran cuplikanselanjutnya akan diubah secara otomatis menjadi hargamomen magnetik dengan satuan emu (electro magneticunit). Gambar 4 menunjukkan profil kurva penentuanposisiuntuk kalibrasi dengan cuplikan standar, Ni (m =

0,052 gram) yang diukuT pada suhu 297 ,2K dan medanmagnet luar 0,6 T. Besar tegangan yang temkur padaposisi optimum, C dengan z = 15 mm adalah 106,9 Volt.

Dari data ini dilakukan proses kalibrasi.

79

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN1411- 7630

dengan medan demagnetisasi ini sehingga diperolehmedan efektif, Heff = H. + Hd yang sebenarnya.

Selain ketepatan posisi cuplikan, parameterpengukuran yang berpengaruh dalam keteli tian data yangdiperoleh adalah sensitivitas pengukuran tegangan,tetapan waktu pengukuran serta amplitudo getaran yangdigunakan. Dua parameter pertama diatur denganmengambil nilai batas yang mendekati/tidak terlalu jauhdaTi harga/kondisi terukur. Sedangkan amplitudo diset

dengan mempertimbangkan persamaan 1, dimana makinkecil momen magnetik bahan yang akan terukur makadiambil nilai amplitudo yang lebih besar sehingga sinyalyang diperoleh lebih besar.

dengan faktor demagnetisasi diperlihatkan pactaGambar 6. Harga magnetisasi telah diubah dalam satuan

gauss.Sedangkan pacta Gambar 7, diperlihatkan kurva

histeresis cuplikan lapisan tipis Fe yang disiapkan

denganmetodaRF-sputtering [6]. Pengukurandilakukansejajar bidang dan tegak lurus bidang. Hasil pengukuranini menunjukkan adanya anisotropi magnetik sejajarbidang lapisan tipis. Gambar 8 menunjukkan kurvamagnetisasi sebagai fungsi suhu daTi cuplikan GMRyang diukur pacta medan luar I T. Pacta gambar yangsarna juga ditampilkan basil pengukuran untuk cuplikanyang sama yang diukur dengan memakai alai ukurmagnetik di Institute for Materials Research (IMR),Tohoku University, Jepang.

BASIL PENGUKURANTelah dilakukan beIbagai pengukuran dengan alat

ini meliputi kurva histeresis cuplikan standar Ni, cuplikallFe berbentuk lapisan tipis, magnet permanen refitpadatan serta pengukuran M terhadap T cuplikan GMR(Giant Magneto Resistance). Gambar 5 menunjukkankulVa histeresis cuplikan Ni pada posisi optimumnyayang diukur pada suhu 293 K. Kurva histeresis denganharga magnetisasi yang telah terkalibrasi menunjukkanbahwa Ni telah mencapai saturasi pada medan magnetluar sekitar 0,6 T, dengan magnetisasijenuh 54,8 emu!gram. Hal ill bersesuaian dengan data yang diperolehsecara perhitungan dengan persamaan 2 untuk kondisipengukuran tersebut.

Gambar 7. Kurva Histeresis lapisan tipis Fe pada dua orientasi

bidang yang berbeda, masing-masing searah medan magnet luarclan tegak lurus medan magnet luar.

f~.!!.~

\

\Gambar 5. Kurva Histeresis cuplikan standar Ni.

Hasil pengukuran pada cuplikan magnet rentberbentuk empat persegi panjang, (p x 1 x t) :(2,61x3,60xl,83) mm3 sebelum dan sesudah dikoreksi

0 100 200 300

TIK)

400 500

Gambar 8. Kurva Magnetisasi sebagai fungsi suhu (M terhadapT) cuplikan GMR diukur memakai VSM OXFORDl.2H danVSM di [MR. Tohoku University, Jepang.

U CAP AN TERIMA KASIH

Fasilitas ini diadakan melalui pembiayaan DIP1996/1999 dengan dukungan berbagai pihak. Untuk itupenulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. DR.Marsongkohadi, DR. Wuryanto, APU, Drs. Mawardi,M.Sc, Drs. W. Prasuad dan seluruh stafproyek PTNPM-BATAN. Juga kepada stafBZM-BATAN, DR. AbarulIkram dan star ISN/BSN-BATAN atas dukungannyadalam proses pemasangan.

80

J;ibrating Sample Magnometer (VSM) tipe Oxford VSM 1.2H (Mujamilah)

Penanya :Ela

Pertanyaan .

1. Apakah acta alat lain atau metode lain yang dapatdigunakan ?

2. Arti kurva histeresis bahan ? .

DAFTAR PUSTAKA[1]. PARKER, RJ, Advances in permanent magnetism,

A Wiley-Interscience Publication, John Wiley &Sons, New York, (1990).

[2]. Research Instruments, Technical Bulletin -

j;1brating Sample Magnetometry -Review of thetechnique, Oxford Instruments, Scientific ResearchDivision, dan pustaka yang diacu didalamnya.

[3]. Research Instruments, Technical Bulletin -

Making Measurement with a VSM, OxfordInstruments, Scientific Research Divisions.

[4]. Research Instruments, VSM Handbook andManual, Oxford Instruments, Scientific ResearchDivisions., dan pustaka yang diacu didalamnya.

[5]. CULLITY,B.D, Introduction to Magnetic

Materials, Addison-Wesley Publishing Company,Inc., Massachusetts, (1972).

.DR. TRIMARJI ATMONO, akan dipublikasikan.[6]

TANYA JAWAB Gambar kurva histerisis bahan

Hans K. Sudjono (p3 Ff -LIP!)PenanyaJawabanI. Sarna dengan jawaban untuk pertanyaan dari Ir. Siti

Wardiyati.2. Garnbar kmva histerisis bahan :

M, = Magnetisasi saturasi/jenuh,M, = Magnetisasi remanen/sisa,H = Medan Koersiv,Ms = besar magnetisasi maksirnal yang bisa di

rniliki bahan,Mr = besar magnetisasi sisa setelah medan luar

dihilangkan (Hext = 0),Hc = besar medan luar yang diperlukan utnuk

menghilangkan magnetisasi sisa.

Pertanyaan :I. Apakah pengujianpada suhu tinggi dengan furnace

sudah dapat dilakukan ? .2. Bagaimana bentuk daD dimensi sampel.'?

JawabanI. Pengujian pada suhu tinggi belum bisa dilakukan,

karena VSM ini hanya dilengkapi sistem pendingin(cryostat) untuk pengukuran suhu rendah412 K -300 K tergantung cairan pendingin yangdigunakan.

2. Sampel bisa berbentuk serbuk, bulk/pelet maupunthin film / lapisan tipis dengan dimensi <I> ~ 2 mm;

t~ I nun.Penanya : Maya Febri

Pertanyaan1. Jenis tanahjarang yang dipakai'?2. Kegunaan produk yang dihasilkan?

Jawaban1. Th, Dy, Sm, Ho; namun yang paling banyak dipakai

adalah Th dan Dy,2. Sebagai komponen transduser, motor kecil, penghasil

gelombang ultrason.

Ir. Siti WardiyatiPenanya

Pertanyaan :Apakah ada alat lain untuk pengUkuran besarnyamedan magnet selain sistem vibrasi '?

JawabanUntuk pengUkuran besarnya momen magnet/sifatmagnetik bahan ada 2 metode yaitu :.Metoda vibrasi/induksi..Metoda gaya.

81