一种软磁材料磁特性曲线的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种软磁材料磁特性曲线的测量装置及方法。本发明专利技术首先在特定温度下利用脉冲磁场饱和磁化软磁样品，然后改变软磁样品和铷泡的间距，并利用抽运

A measuring device and method for magnetic characteristic curve of soft magnetic materials

【技术实现步骤摘要】
一种软磁材料磁特性曲线的测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及磁场测量
，具体涉及一种基于抽运
‑
检测型铷原子磁力仪的软磁材料磁特性曲线的测量装置及方法。

技术介绍

[0002]在磁性材料测量领域，各种磁特性曲线用于表征磁性材料的物理性质，例如从磁滞回线可获得矫顽力、剩磁等信息，从样品磁矩的变温曲线可研究磁性材料的磁相变，古地磁学和环境磁学研究中通过饱和等温剩磁曲线和剩磁矫顽力曲线识别岩石或土壤中的磁性载体。目前测量磁性材料磁特性曲线的常用精密磁强计主要是超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)磁强计和振动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer,VSM)，古地磁学和环境磁学中采用脉冲磁化仪和旋转磁力仪测量饱和等温剩磁曲线和剩磁矫顽力曲线。
[0003]软磁材料容易磁化，也容易退磁，矫顽力小是其基本特征，软磁样品磁特性曲线的测量是基础研究中的难点问题。目前常用的磁学性能测试系统(SQUID
‑
VSM)都采用超导磁体来提供磁场，在超导磁体电流为零时，由于冻结磁通，剩余磁场可达几十高斯，这对软磁材料磁性能测量会造成很多错误。例如文献“于红云，超导磁体剩余磁场对软磁材料测试的影响[J].物理学报,2014,63(4):047502.”中指出，SQUID超导磁体退磁后剩余磁场有时大于30Gs，由此产生的磁场误差将导致测试的矫顽力、剩磁等数据不准确，甚至导致反向的磁滞回线，剩磁误差会引起特定磁场下软磁样品磁矩的测量误差。目前工业上采用抛移测量方法(软磁材料矫顽力的抛移测量方法.国家标准GB/T 3656
‑
2008)或开磁路测量方法(在开磁路中测量磁性材料矫顽力的方法.国家标准GB/T 13888
‑
2009.)来测量软磁材料的矫顽力，这两种方法无法进一步被开发成高精度测量软磁样品各类磁特性曲线的装置。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术公开了一种基于抽运
‑
检测型原子磁力仪测量软磁材料磁特性曲线的装置及方法。拉莫尔进动效应是一种自然基准，软磁样品在不同磁化历史中利用基于拉莫尔进动效应的抽运
‑
检测型铷原子磁力仪测量软磁样品在铷泡处产生的磁场，并在特定温度条件下测量软磁样品的饱和剩余磁矩值并定标一系列软磁材料的磁特性曲线，能够将软磁样品的磁矩值溯源到自然基准，显著提高软磁样品磁特性曲线测量的准确度。
[0005]本专利技术的软磁材料磁特性曲线的测量装置，包括：抽运
‑
检测型铷原子磁力仪、本底磁场产生组件，以及软磁样品磁化和退磁组件；
[0006]本底磁场产生组件包括磁屏蔽筒和本底磁场线圈；所述磁屏蔽筒用于实现地磁屏蔽；所述本底磁场线圈位于磁屏蔽筒内部，用于在磁屏蔽筒中产生轴向均匀稳定的本底磁场；所述本底磁场在200nT至20000nT范围内；
[0007]所述抽运
‑
检测型铷原子磁力仪位于磁屏蔽筒内，其铷泡位于本底磁场的磁场均匀区，圆偏振抽运光方向与本底磁场方向平行，线偏振探测光方向与本底磁场方向垂直；抽
运
‑
检测型铷原子磁力仪用于测量抽运
‑
检测型铷原子磁力仪内铷泡空间位置的磁场；
[0008]所述软磁样品磁化和退磁组件包括样品室、磁化线圈、6.5位精密电流源、样品传送杆和无磁变温系统；样品室位于磁屏蔽筒内，磁化线圈缠绕在样品室上，样品传送杆用于将软磁样品放置在样品室内且位于磁化线圈的正中心，软磁样品与铷泡中心的连线平行于本底磁场方向；6.5位精密电流源向磁化线圈脉冲地输入正向或反向的电流，产生的脉冲磁场用于实现对软磁样品的磁化和退磁；无磁变温系统用于保持样品室的温度恒定，或改变样品室的温度。
[0009]较优的，所述磁屏蔽筒为圆柱形，直径为φ500mm，长度大于或等于700mm；或者，磁屏蔽筒替换为磁屏蔽系数优于10
‑3的磁屏蔽室。
[0010]较优的，采用电控位移台或人工手动方式移动或台阶式增大软磁样品与铷泡的间距。
[0011]本专利技术还提供了基于上述测量装置测量软磁材料一些列磁特性曲线的方法：首先，基于上述测量装置测量软磁样品在零磁场附近恒温条件下的饱和剩余磁矩值，所述饱和剩余磁矩值定义为恒温条件下先饱和磁化软磁样品、再撤去磁化场后软磁样品在本底磁场中的剩余磁矩值；然后基于上述测量装置获得软磁材料的各磁特性曲线，并基于所述饱和剩余磁矩值定标所述磁特性曲线。
[0012]其中，所述饱和剩余磁矩值的测量包括如下步骤：
[0013]步骤1、通过移动并固定样品室的位置来设定磁化线圈中心位置和铷泡中心位置的间距；启动抽运
‑
检测型铷原子磁力仪，调节通入本底磁场线圈的电流，使本底磁场在200nT～1000nT范围内；抽运
‑
检测型铷原子磁力仪工作于开环状态，其射频磁场线圈输入的正弦激励信号频率为与本底磁场对应的拉莫尔进动频率；
[0014]步骤2、采用样品传送杆将软磁样品置于磁化线圈的正中心，等待软磁样品的温度稳定；
[0015]步骤3、6.5位精密电流源以脉冲的方式输出能够使软磁样品饱和磁化的最大电流，使得软磁样品饱和磁化，脉冲磁化时长大于10秒；其中，磁化线圈产生磁场的方向与本底磁场方向相同；关闭6.5位精密电流源，采用抽运
‑
检测型铷原子磁力仪对铷泡处的磁场进行测量，得到测量磁场值，该测量磁场值为本底磁场和软磁样品在铷泡处产生磁场的代数和；
[0016]步骤4、以固定步长移动软磁样品的位置使其远离铷泡，每次移动样品位置时采用抽运
‑
检测型铷原子磁力仪对铷泡处的磁场进行测量，得到一系列测量磁场值；
[0017]步骤5、用步骤3和步骤4的测量磁场值减去本底磁场值，即得到不同位置处软磁样品的饱和剩余磁矩在铷泡处产生的一系列磁场值B
’
；
[0018]步骤6、将步骤5获得的一系列磁场值B
’
按照作图，线性拟合后得斜率k，其中，r0为磁化线圈中心位置和铷泡中心位置的间距；x为软磁样品与磁化线圈正中心的距离，x＝iΔ，其中i为非负整数，Δ为x的变化步长；则软磁样品的饱和剩余磁矩m为：m＝2π/μ0k
3/2
，其中，μ0是真空磁导率。
[0019]较优的，步骤4移动软磁样品7时样品的温度保持不变。
[0020]所述磁特性曲线为等温剩磁回线，基于上述测量装置测量并基于所述饱和剩余磁
矩值定标软磁样品的等温剩磁回线时，还包括以下步骤：
[0021]步骤7，保持样品室温度不变，采用样品传送杆将软磁样品置于磁化线圈的正中心，等待软磁样品的温度稳定；6.5位精密电流源输出的脉冲电流以特定步长由正向最大电流离散地减小到负向最大电流，然后再从负向最大电流离散地增大到正向最大电流，循环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软磁材料磁特性曲线的测量装置，其特征在于，包括：抽运
‑
检测型铷原子磁力仪、本底磁场产生组件，以及软磁样品磁化和退磁组件；本底磁场产生组件包括磁屏蔽筒(1)和本底磁场线圈(2)；其中，磁屏蔽筒(1)用于实现地磁屏蔽；本底磁场线圈(2)位于磁屏蔽筒(1)内部，用于在磁屏蔽筒(1)中产生轴向均匀稳定的本底磁场；其中，本底磁场在200nT至20000nT范围内；抽运
‑
检测型铷原子磁力仪位于磁屏蔽筒(1)内，其铷泡(5)位于本底磁场的磁场均匀区，圆偏振抽运光方向与本底磁场方向平行，线偏振探测光方向与本底磁场方向垂直；抽运
‑
检测型铷原子磁力仪用于测量抽运
‑
检测型铷原子磁力仪内铷泡空间位置的磁场；软磁样品磁化和退磁组件包括样品室(6)、磁化线圈(8)、6.5位精密电流源(9)、样品传送杆(10)和无磁变温系统(11)；样品室(6)位于磁屏蔽筒(1)内，磁化线圈(8)缠绕在样品室(6)上，样品传送杆(10)用于将软磁样品(7)放置在样品室内且位于磁化线圈(8)的正中心，软磁样品(7)与铷泡(5)中心的连线平行于本底磁场方向；6.5位精密电流源(9)向磁化线圈(8)脉冲地输入正向或反向的电流，产生的脉冲磁场用于实现对软磁样品(7)的磁化和退磁；无磁变温系统(11)用于保持样品室(6)的温度恒定，或改变样品室(6)的温度。2.如权利要求1所述的软磁材料磁特性曲线的测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽筒(1)为圆柱形，直径为φ500mm，长度大于或等于700mm。3.如权利要求1所述的软磁材料磁特性曲线的测量装置，其特征在于，磁屏蔽筒(1)替换为磁屏蔽系数优于10
‑3的磁屏蔽室。4.一种软磁材料磁特性曲线的测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～3任意一项所述的测量装置测量软磁样品在零磁场附近恒温条件下的饱和剩余磁矩值，所述饱和剩余磁矩值定义为恒温条件下先饱和磁化软磁样品(7)、再撤去磁化场后软磁样品(7)在本底磁场中的剩余磁矩值；基于所述饱和剩余磁矩值定标软磁材料的磁特性曲线；其中，所述饱和剩余磁矩值的测量包括如下步骤：步骤1、通过移动并固定样品室(6)的位置来设定磁化线圈(8)中心位置和铷泡(5)中心位置的间距；启动抽运
‑
检测型铷原子磁力仪，调节通入本底磁场线圈(2)的电流，使本底磁场在200nT～1000nT范围内；抽运
‑
检测型铷原子磁力仪工作于开环状态，其射频磁场线圈输入的正弦激励信号频率为与本底磁场对应的拉莫尔进动频率；步骤2、采用样品传送杆(10)将软磁样品(7)置于磁化线圈(8)的正中心，等待软磁样品(7)的温度稳定；步骤3、6.5位精密电流源(9)以脉冲的方式输出能够使软磁样品(7)饱和磁化的最大电流，使得软磁样品(7)饱和磁化，脉冲磁化时长大于10秒；其中，磁化线圈(8)产生磁场的方向与本底磁场方向相同；关闭6.5位精密电流源(9)，采用抽运
‑
检测型铷原子磁力仪对铷泡(5)处的磁场进行测量，得到测量磁场值；步骤4、以固定步长移动软磁样品(7)的位置使其远离铷泡(5)，每次移动样品位置时采用抽运
‑
检测型铷原子磁力仪对铷泡(5)处的磁场进行测量，得到一系列测量磁场值；步骤5、用所述测量磁场值减去本底磁场值，即得到不同位置处软磁样品(7)的饱和剩余磁矩在铷泡(5)处产生的一系列磁场值B
’
；步骤6、将步骤5获得的一系列磁场值B
’
按照作图，线性拟合后得斜率
k，其中，r0为磁化线圈(8)中心位置和铷泡(5)中心位置的间距；x为软磁样品(7)与磁化线圈(8)正中心的距离，x＝iΔ，其中i为非负整数，Δ为x的变化步长；则软磁样品的饱和剩余磁矩m为：m＝2π/μ0k
3/2
，其中，μ0为真空磁导率。5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述磁特性曲线为等温剩磁回线，基于所述饱和剩余磁矩值定标软磁样品的等温剩磁回线时，还包括：步骤7，保持样品室温度不变，采用样品传送杆(10)将软磁样品(7)置于磁化线圈(8)的正中心，等待软磁样品(7)的温度稳定；6.5位精密电流源(9)输出的脉冲电流以特定步长由正向最大电流离散地减小到负向最大电流，然后再从负向最大电流离散地增大到正向最大电流，循环测量n次；采用抽运
‑
检测型铷原子磁力仪在每次脉冲电流后、6.5位精密电流源(9)不输出电流时对铷泡(5)处的磁场进行测量，得到对应脉冲电流的测量磁场值；其中，所述正向最大电流即为软磁样品的饱和磁化电流；步骤8、将步骤7的抽运
‑
检测型铷原子磁力仪的测量磁场值扣除本底磁场，即得到软磁样品(7)在铷泡(5)处产生的磁场；绘制数据曲线图：所述数据曲线图的横坐标为通入磁化线圈(8)的脉冲电流，纵坐标为软磁样品(7)在铷泡(5)处产生的磁场；步骤9、基于步骤6获得的软磁样品在相同温度下的饱和剩余磁矩值，定标步骤8得到的数据曲线：首先计算定标系数，定标系数＝饱和剩余磁矩值
÷
(步骤3的测量磁场值
‑
本底磁场值)；然后用该定标系数乘以数据曲线图中所有脉冲磁化电流对应的磁场值，更新数据曲线图的纵坐标，即得到软磁样品的等温剩磁回线。6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述磁特性曲线为低场部分等温磁滞回线，所述低场是指磁化线圈(8)和软磁样品(7)共同在铷泡(5)处产生的磁场处于抽运
‑
检测型铷原子磁力仪的量程范围内，基于所述饱和剩余磁矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪培贤，廉吉庆，王剑祥，张金海，崔敬忠，刘志栋，杨世宇，冯浩，涂建辉，张玲，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：