一種弱磁性檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測樣品磁性分布的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前對小樣品磁成像的方法有很多，例如磁光技術(shù)、小角度中子散射。掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、磁力顯微鏡、超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡等儀器廣泛用于檢測樣品。這些儀器在空間分辨率和磁場靈敏度方面存在差異，各有利弊。超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡雖然空間分辨率不是最高的，但是它的磁場靈敏度比其他方法要高很多，所以超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡是目前為止探測微米尺度結(jié)構(gòu)中微弱磁場最靈敏的儀器，可以檢測小于10 10T的磁場。
[0003]上世紀IBM公司就已經(jīng)利用超導(dǎo)量子干涉儀傳感器搭建了掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡，可以對小樣品進行掃描，隨后又有很多不同類型的掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡研制成功?，F(xiàn)有的掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡的傳感器分為高溫超導(dǎo)量子干涉儀和低溫超導(dǎo)量子干涉儀，類型上分為冷樣品與熱樣品兩種。冷樣品類型的掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡可以獲得高的空間分辨率，但在使用上也存在一些限制，例如樣品更換，樣品要求能耐低溫等等。熱樣品類型的掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡犧牲了空間分辨率，但是也有優(yōu)點:對被測樣品幾乎沒有限制，而且方便更換樣品，因此通常用于無損檢測和生物樣品檢測中。
[0004]環(huán)境中存在有很多其他的電磁干擾，這些都會給測量帶來影響，最常見的就是地磁場，強度在0.5-0.6高斯，還有工頻交流電產(chǎn)生的磁場干擾?，F(xiàn)有的屏蔽噪聲的方法有:屏蔽室、使用梯度線圈、增加屏蔽罩等。屏蔽室由于結(jié)構(gòu)中存在接縫、打孔等，可能增加屏蔽室的磁阻，導(dǎo)致屏蔽效果有限，梯度線圈由于工藝的問題，線圈大小存在差異，中心軸不一致，也存在噪聲干擾。所以對于弱磁檢測設(shè)備，需要有更好的噪聲解決方案。
[0005]中國專利201010182050.8提出的一種生物內(nèi)源磁顆粒檢測裝置，描述了一種使用超導(dǎo)量子干涉儀來檢測生物標本的裝置，該專利使用了傳統(tǒng)的屏蔽室和梯度線圈兩種方式來減少環(huán)境噪聲的干擾，但屏蔽室由于密封等問題，屏蔽效果有限，梯度線圈由于工藝水平，也會有噪聲干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提出一種弱磁性檢測裝置。本發(fā)明可以有效濾除環(huán)境磁場噪聲的影響，對樣品微弱磁性信號進行檢測。
[0007]本發(fā)明將超導(dǎo)量子干涉儀傳感器和高精度三維移動平臺組合成一種掃描系統(tǒng)，并在垂直方向加入振動單元，給被測樣品施加一個頻率和幅度雙可調(diào)的振動，使得被測樣品的有效信號以設(shè)定的頻率進行變化，通過頻域分析等方法，從噪聲中有效提取樣品的磁性值，并繪制被測樣品的二維磁性分布圖。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明弱磁性檢測裝置主要包括:低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元、振動單元、移動平臺單元、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和屏蔽室。
[0010]所述的低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元、振動單元和移動平臺單元置于屏蔽室內(nèi)，屏蔽室屏蔽地磁場對系統(tǒng)的影響。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)位于屏蔽室外。
[0011]所述的三維移動平臺安裝在檢測裝置底部的大理石平臺上，位于大理石平臺的正中間。三維移動平臺負責(zé)移動樣品。所述的振動單元安裝在三維移動平臺的Z軸上，對樣品產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的振動。低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元通過其固定支架垂直安裝在三維移動平臺的正上方，檢測采集樣品的弱磁信號。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線分別與低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元、振動單元和三維移動平臺連接，對三維移動平臺和振動單元進行控制，對低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元采集到的信號數(shù)據(jù)進行處理分析，繪制樣品的二維磁性分布圖。
[0012]所述的低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元包括無磁桌、固定支架、低溫?zé)o磁杜瓦、低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀、梯度線圈和低溫數(shù)據(jù)線。其中無磁桌的桌腿采用無磁材料鋁制作，桌面采用打磨過的環(huán)氧材料制作，桌面中心開有一個圓孔，樣品支架穿過此圓孔。桌面水平固定在鋁桌腿上。固定支架也采用鋁制作，固定在無磁桌面上。低溫?zé)o磁杜瓦垂直安裝在固定支架的中心，垂直于底部的三維移動平臺。低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀、梯度線圈和低溫數(shù)據(jù)線置于低溫?zé)o磁杜瓦內(nèi)部。梯度線圈采用的是一階梯度計形式，可以有效抑制遠場的噪聲影響，并且制作和安裝更容易。梯度線圈通過鈮鈦螺釘與低溫超導(dǎo)量子干涉儀的輸入線圈連接。低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀通過低溫數(shù)據(jù)線與低溫?zé)o磁杜瓦外的數(shù)據(jù)線連接。
[0013]移動平臺單元包括大理石底座、三維移動平臺、電機控制器。三維移動平臺安裝在大理石底座上表面的中心，通過銅螺釘固定，防止在移動時在大理石底座上發(fā)生位移。位于XYZ三個軸向方向的直線電機驅(qū)動樣品進行三維移動。電機控制器實時控制三個直線電機。為了防止對測量的干擾，電機控制器放置在屏蔽間外，通過三根控制線分別和三個直線電機相連。
[0014]振動單元包括壓電陶瓷片、DDS芯片和樣品支架。振動單元固定在三維移動平臺的Z軸上，封裝在一個鋁盒中。DDS芯片的一端通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連，另一端和壓電陶瓷片連接，DDS芯片產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的正弦波，用來驅(qū)動壓電陶瓷片產(chǎn)生振動。樣品支架包括支桿和樣品托盤，使用無磁材料制作，樣品托盤通過支桿固定在壓電陶瓷片上，壓電陶瓷片帶動樣品托盤振動。封裝有所述振動單元的鋁盒上表面開有孔，低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元的無磁桌桌面的中心位置開有圓孔，樣品托盤穿出無磁桌圓孔和鋁盒上表面的開孔，正對低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元。
[0015]所述的屏蔽室主要實現(xiàn)對地磁場和背景噪聲的屏蔽功能。屏蔽室的容積足夠容納整套系統(tǒng)，并能滿足至少一人進行樣品更換等實驗操作的條件。屏蔽室材料采用三層高導(dǎo)電的鎳鉻合金板，使屏蔽室內(nèi)安裝系統(tǒng)處的靜磁場磁感應(yīng)強度滿足指標要求。為了防止對信號采集引入噪聲影響，將電機控制器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)放置在屏蔽室外，其他部件都放置在屏蔽室中靜磁場最小的位置。
[0016]所述的低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元的梯度接收線圈為一階梯度計形式，在藍寶石柱上由兩個串聯(lián)的相反繞向的多匝線圈構(gòu)成。使用梯度線圈可以有效濾除遠磁場的噪聲影響，對于近磁場無影響。梯度線圈和低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀傳感器的輸入線圈相連。
[0017]所述的振動單元是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有掃描超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡的重要特征。振動單元的各組件封裝在一個鋁盒中，通過銅螺釘固定在三維移動平臺的Z軸上。振動單元由DDS芯片、壓電陶瓷片和樣品支架組成。數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O 口模擬SPI總線與DDS芯片通信，對DDS芯片進行編程控制從而實現(xiàn)頻率和振幅雙可調(diào)的標準正弦信號的輸出。DDS芯片的輸出端接到壓電陶瓷片上，DDS芯片產(chǎn)生正弦信號驅(qū)動壓電陶瓷片在垂直方向平穩(wěn)振動。輸出的正弦信號頻率穩(wěn)定、精確，且對壓電陶瓷片不會造成過大的沖擊。為了減小振動單元產(chǎn)生的電磁干擾對梯度接收線圈的干擾，本發(fā)明樣品支架利用無磁的支桿和圓形樣品托盤將振動單元與樣品分離，采用玻璃鋼制成支桿和樣品托盤，支桿的一端支撐在圓形樣品托盤的中心，支桿的另一端垂直安裝在壓電陶瓷片上。樣品托盤水平安裝在支桿上方。
[0018]所述的移動平臺單元主要完成對樣品精確的三維移動。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)定移動路徑，向電機控制器發(fā)送命令，驅(qū)動三維移動平臺移動，實現(xiàn)樣品的移動。三維移動平臺在XYZ三個軸向的移動精度達到25um，重復(fù)位移精度達到了 15um，可以實現(xiàn)對小樣品的磁性分布進行測量。
[0019]所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負責(zé)移動平臺單元的路徑規(guī)劃、振動單元的參數(shù)設(shè)置、超導(dǎo)量子干涉儀數(shù)據(jù)的收集與處理。最終對數(shù)據(jù)進行頻域分析濾除噪聲，反變換并繪出樣品的二維磁性分布圖。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明弱磁性檢測裝置的側(cè)視圖；
[0021]圖2是本發(fā)明弱磁性檢測裝置的俯視圖；
[0022]圖中磁屏蔽室，2低溫?zé)o磁杜瓦，3低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀，4固定支架，5梯度線圈，6樣品支架，7無磁桌，8振動單元，9三維移動平臺，10數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，11大理石底座。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步說明:
[0024]本發(fā)明主要包括屏蔽室1、低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元、振動單元8、移動平臺單元和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10。
[0025]所述的低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元、振動單元8和移動平臺單元置于屏蔽室I內(nèi)，屏蔽室I對地磁場進行屏蔽。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10放置在屏蔽室I之外。三維移動平臺9安裝在大理石底座11上表面的中心位置。振動單元8安裝在三維移動平臺9的Z軸上。低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元通過其固定支架4垂直安裝在三維移動平臺的正上方，檢測采集樣品的弱磁信號。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10通過數(shù)據(jù)線與低溫直流超導(dǎo)量子干涉儀單元、振動單元8和三維移動平臺9連接，對三維移動平臺9和振動單元8進行控制，完成對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，得到二維分布圖。
[0026]所述的低溫直流