CN101183593A - 交变强磁场仪 - Google Patents
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Abstract
一种能够将电流转化为磁场的交变强磁场仪。它由磁场发生器、交变电流源、正/反向峰值比调节器和可调电容器四部分，按摘要附图1所示连接组成LC串联回路。当该仪器工作在LC串联谐振频率时，线圈感抗和电容器的容抗相互抵消，负载只有磁场发生器线圈的小内阻，能够使用低压大电流源驱动。磁场发生器有垂直和纵向磁场发生器两种结构。已实施垂直磁场发生器结构，能够在毫米尺度气隙空间中产生峰值近万奥斯特(Oe)、变化频率达千余赫兹、正/反向磁场峰值比可调节的交变强磁场。交变电流源具有扫频功能，搜索LC串联回路的谐振频率，并锁定在谐振频率上振荡，同时，还具有外同步触发功能，产生与外触发信号同频率的交变强磁场。
Description
技术领域
本发明涉及一种将电流转换为磁场的电-磁转换装置，尤其是能够在毫米尺度气隙空间中产生强磁场的交变强磁场仪。
背景技术
磁场在现代科学技术中扮演着十分重要的角色。直流强磁场在核磁共振仪，高能环型电子加速器，磁悬浮列车和科学研究中得到广泛应用。目前使用超导线圈已能够在厘米尺度空间产生数十特斯拉的直流强磁场。另一方面，高频交变磁场在信息磁存储器件中得到广泛应用，如计算机磁盘。然而，磁头产生的交变强磁场只存在于离磁极面数十微米尺度的微空间中。随着磁存储密度的不断提高，传统磁存储薄膜材料正在趋向它的超顺磁极限存储密度。为了进一步提高磁存储密度，需要开发具有高矫顽力的新型磁存储薄膜材料。这就需要研究高矫顽力新型磁存储薄材料的磁滞、高频损耗和磁化翻转动力学等磁学性能，因而需要交变强磁场。为了便于实验样品的方便设置和实验测试，要求交变强磁场存在于宏观尺度(如毫米或厘米)空间中，而不是象磁头磁场那样仅存在于微米尺度空间中。然而，目前国际上尚未见这类设备的生产、销售。目前，为了开展磁性材料的动态磁学性能研究，只能采用微制做技术，将磁性薄膜样品和磁场发生器集成微制做在数十至数百微米尺度的空间中。这种微结构中磁场发生器通常为导线或单匝线圈，所以，也只能产生200奥斯特(Oe)以下的磁场强度。这种微结构中磁场发生器没有制作成象计算机磁盘中使用的那种多匝微线圈结构，一是因为多匝微线圈制作技术仅被少数磁头制做公司所掌握，并需要昂贵的制造设备。二是从研究成本考虑。如果每个样品都微制做成含多匝微线圈的磁场发生器，那么单个实验样品的价格就非常高，再考虑实验样品的多样性，所以，总的研究、开发成本太高。由于目前的微制做中磁场发生器产生的交变磁场强度太弱，这极大地限制了具有高矫顽力(＞3000 Oe)的新型高密度磁性材料的动态磁学性能的研究。所以，国际上对高密度磁性材料的磁学性能研究主要集中在静态磁学性能方面的研究。这非常不利于发展高速磁存储器件。这可能正是磁存储密度进步速度远快于磁存储速度进步的原因之一。为了便于开展新型高矫顽力磁性薄膜材料的动态磁学性能研究，推动高密度高速度磁存储器件的发展，在毫米尺度空间中产生交变强磁场是必要的。
发明内容
在毫米尺度空间中产生交变强磁场的主要障碍在于产生磁场的线圈的电感大，用传统的交变脉冲电流直接驱动时，感抗大，需要非常高的电压脉冲驱动才能产生大电流，进而产生交变强磁场。本发明的关键技术在于采用LC(L表示电感，C表示电容)谐振技术消除了线圈的大感抗，线圈工作在阻抗非常小的纯电阻状态。并且采用具有高饱和磁感应强度Bs、高频响应的多晶或非晶软磁薄膜制成的铁芯进一步增强磁场，所以能够在毫米尺度空间中产生交变强磁场。
该仪器工作原理如图1所示，由四部分组成：磁场发生器(2)、交变电流源(1)、正/反向峰值比调节器(3)和可调电容器(4)。磁场发生器与正/反向峰值比调节器并连，再与可调电容器串联，组成LC串联谐振回路，由交变电流源驱动。组成该仪器的四部分的结构和功能说明如下：
(1)磁场发生器：采用具有高饱和磁感应强度Bs、高频响应的非晶或多晶软磁薄膜材料制成的环形铁芯，这种结构铁芯具有近百kHz的响应频率。将这种铁芯切割成图1和图2所示的两种结构，并缠绕漆包铜线圈，即构成垂直(图2)和纵向(图3)磁场发生器。磁极切割成锥形是为了聚焦铁芯中的磁场到气隙中，增强气隙中的磁场。
(2)交变电流源：产生峰值幅度可调的交变电流，驱动由磁场发生器线圈和附加电容器组成的LC串联负载。此交变电流源的关键性能在于具有扫频、锁频功能，搜索到LC的谐振频率，然后锁定在此谐振频率上振荡。由于在谐振频率工作时，LC串联负载是纯电阻型的，只有线圈的内阻，而内阻又是很小的，所以，反馈电压幅度较小，电流源为低压大电流型。此外，交变电流源还具有外同步触发功能，能够实现与触发脉冲同频率振荡。
(3)正/反向峰值比调节器：实现正/反向磁场峰值比调节，可以通过控制流过线圈的正/反向电流的峰值比来实现，因为磁场正比于电流。由于交变电流源是电流驱动型，所以，通过给线圈负载引入单向导通的并联分流电路，则可以实现流过线圈的正/反向电流的峰值比调节。正/反向峰值比调节器由一个可调电阻和一只二极管串联组成。此正/反向峰值比调节器与磁场发生器线圈并联。由于二极管的单向导通性能，所以，可调电阻只在二极管导通的半周内工作，分流通过线圈的电流，减小此半周内线圈振荡电流的峰值，而不影响相反极性半周内的线圈中的振荡电流峰值。从而实现了正/反向电流或磁场峰值比的调节。
(4)可调电容器：其功能在于调节LC串联回路的谐振频率。
附图说明
图1交变强磁场仪电连接图
图2垂直磁场发生器铁芯结构
图3纵向磁场发生器铁芯结构
图4垂直磁场发生器产生的磁场强度随驱动电流变化的实验标度结果
图5垂直磁场发生器线圈中的交变谐振电流实验测量结果
图1中，1为交变电流源；2为磁场发生器；3为正/反向峰值比调节器；4为可调电容器；2与3并联，再与4串联，组成LC串联谐振回路，并由1驱动。调节4可调节交变磁场的振荡频率。2的结构有两种，如图2和图3所示。交变电流源具有扫频、锁频和外同步触发功能。3由可调电阻和二极管串联组成。
图2(a)为垂直磁场发生器的铁芯结构的外形轮廓图。W和H分别为铁芯环的横截面的长和宽尺寸；δ为气隙的宽度尺寸；a和b分别为锥形磁极端面长和宽尺寸；h为锥形磁极的高度尺寸。φ为通孔直径尺寸。一个磁极切割成缩小的锥形，能够增强气隙中的磁场。铁芯内部面积为W*H截面上的磁通通过锥形磁极聚焦到面积为a*b的小磁极端面上，然后流入气隙中，从而增强了气隙中的磁场强度。当实验样品置于气隙中，并紧贴在此锥形磁极端面上时，磁场垂直穿过样品面，所以，称为垂直磁场发生器。为了便于测量样品的磁学性质，在气隙的另一个W*H磁极面上与a*b端面相对位置处钻一个直径为φ的通孔，光线或探头通过此孔能够到达样品表面，对样品磁学参量进行测量。
图2(b)为垂直磁场发生器的立体图。整个铁芯采用具有高饱和磁感应强度Bs、高频响应的非晶或多晶软磁薄膜材料制成的环形铁芯切割而成。
图3(a)为纵向磁场发生器的外形轮廓图。W和H分别为铁芯环的横截面的长和宽尺寸；δ为气隙的宽度尺寸；a和b分别为锥形磁极端面长和宽尺寸；h为锥形磁极的高度尺寸。两个磁极均切割成缩小的锥形，能够增强气隙中的磁场。铁芯内部面积为W*H截面上的磁通通过锥形磁极聚焦到面积为a*b的小磁极端面上，然后流入气隙中，从而增强了气隙中的磁场强度。当实验样品置于气隙中，表面与两个磁极面垂直时，磁场平行于样品表面，所以，称为纵向磁场发生器。光线或探头能够通过气隙直接到达样品表面，对样品磁学参量进行测量。
图3(b)为纵向磁场发生器的立体图。整个铁芯采用具有高饱和磁感应强度Bs、高频响应的非晶或多晶软磁薄膜材料制成的环形铁芯切割而成。
图4为一个具体实施例-垂直磁场发生器产生的磁场强度随驱动电流变化的实验标度结果。垂直磁场发生器结构如图2，具有实施参数为：W＝H＝30mm，a＝4mm，b＝10mm，h＝20mm，δ＝1.5mm，φ＝7mm。横坐标为气隙中的磁场强度H(单位奥斯特，Oe)，纵坐标为线圈中的电流(单位安培，A)。
图5为实施例中LC串联谐振在1.14kHz时，两个不同峰值电流的振荡波形图。虚线表示正向电流峰值为32A，正/反向峰值电流比为1.1的振荡电流波形图。实线表示正向电流峰值20A，正/反向峰值电流比为1.1的振荡电流波形图。横坐标是振荡电流(单位安培，A)，纵坐标是时间(单位微秒，μs)。
具体实施方式
本发明已具体实施，研制出一台样机。磁场发生器选用多晶软磁薄膜材料制成的环形铁芯，按图2所示结构切割成垂直磁场发生器。这种铁芯具有100kHz以上的响应频率，低的高频磁损耗，饱和磁感应强度Bs达1.4T。具体的切割尺寸为气隙δ＝1.5mm，铁芯横截面尺寸为W＝H＝30mm，锥形磁极端面尺寸a＝4mm，b＝10mm，锥形磁极高度h＝20mm，另一磁极上的通孔直径φ＝7mm。在切割成型的铁芯上绕漆包铜线圈。
选用通用电子元器件实现了“交变电流源”和“正/反向峰值比调节器”。交变电流源的最大峰值电流可达50A，振荡频率可在1-5kHz范围调节。具有自激振荡和外同步触发功能。正/反向峰值比调节器可实现正/反向峰值电流比在1-2范围调节。
将垂直磁场发生器、交变电流源、正/反向峰值比调节器和可调电容器按图1所示的原理图连接，即实现交变强磁场仪。通过调节串联电容的大小，可以调节交变谐振频率，实现交变磁场的振荡频率调节；通过调节正/反向峰值比调节器中电阻大小，可以调节磁场发生器产生的交变强磁场的正/反向峰值比。
图4所示为磁场发生器气隙中磁场强度随驱动电流变化的实验标度结果。显示当驱动电流在50A以下时，磁场随驱动电流是线性变化的，最大线性变化磁场强度近8000 Oe。当驱动电流大于50A时，气隙中的磁场是亚线性增加的，趋于饱和，饱和磁场强度近10000 Oe。
图5所示为交变强磁场仪谐振在1.14kHz时，实验测量到的磁场发生器线圈中两个正向振荡电流峰值分别为32A和20A时的交变振荡电流波形图，具有正/反向峰值电流比1.1。
上述实施例实验测试结果表明本发明已实现磁场强度近8000 Oe、交变振荡频率千余赫兹的交变强磁场。这是目前报道的在毫米尺度空间中产生的最强交变强磁场，在高矫顽力磁介质的动态磁学性能研究方面具有重要应用价值。
Claims (4)
1.一种交变强磁场仪，由磁场发生器、交变电流源、正/反向峰值比调节器和可调电容器四部分组成；它们的连接关系为：磁场发生器与正/反向峰值比例调节器并联，再与可调电容器串联，组成LC串联回路，由交变电流源驱动；其特征是交变电流源能够搜索到LC串联回路的谐振频率，并锁定在此谐振频率上振荡，感抗和容抗相互抵消，仅有磁场发生器线圈内阻小负载，因而能够在线圈中产生强的交变振荡电流，在磁场发生器气隙中形成交变强磁场。
2.权利要求1中所述的交变强磁场仪，其特征是磁场发生器的环形铁芯由具有高饱和磁感应强度Bs和高频响应特性的多晶(包括纳米晶)或非晶软磁薄膜材料制成，此为产生交变强磁场的必要条件。
3.权利要求1中所述的交变强磁场仪，其特征是正/反向峰值比调节器可以去除，产生正/反向峰值磁场强度相同的交变强磁场。
4.权利要求1中所述的交变强磁场仪，其特征是交变电流源具有外同步触发功能，产生与外触发信号同频率的交变强磁场。
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