CN101833072B - 一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法。该结构包括一钕铁硼永磁体、一一维电动平移台及其控制器，其中钕铁硼永磁体通过自制加工件固定在一维电动平移台的台面上。本发明提供的基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法，利用钕铁硼永磁体和一维电动平移台的组合实现了一种可以扫描磁场的实验测量结构。利用本发明，可以紧凑、全天候、无消耗地为实验提供一个可变的磁场环境。

Description

一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法

技术领域

本发明涉及磁电子学技术领域，尤其涉及一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法，特别适合于测量磁电子学材料的自旋相关光性质、电性质等，以及变化外加磁场会引起物理量改变的实验应用。

背景技术

自从1988年巨磁电阻效应在铁/铬多层结构中被发现后，20多年来，旨在利用电子的另一内禀属性自旋来扮演电子电荷在现代信息技术领域中类似角色的新兴学科——磁电子学，无论在实验室还是工业界都取得了令人惊异的长足发展。

在磁电子学的研究中，让样品处于磁场下的环境，自然是不可或缺的实验条件；同样重要的是，使这个磁场在一定范围内强度以及方向可变，从而获得物理量随磁场变化的信息。

对掺锰砷化镓一类的所谓稀磁半导体，由于塞曼效应的存在，能级在外加磁场下会产生分裂而具有不同的能量和自旋取向，这种能级分裂随磁场变化有显著的改变。

对铁/砷化镓一类的铁磁金属/半导体结构，在进行自旋注入或自旋滤波等研究时，如利用自旋发光二极管结构进行光学的自旋探测，或利用极化圆偏振光泵浦的方法进行光学的自旋注入，则在光学选择定则的限制下，需要铁磁金属薄膜的磁化强度方向平行于样品生长方向，这通常要求一个很大的磁场。并且不同磁场强度下，铁磁金属薄膜的磁化方向翻转出样品平面的程度不同。通过改变磁场强度，可以分析铁磁金属薄膜在此类结构中扮演的角色。

对铁磁金属/半导体结构，也可以通过所谓的自旋阀配置，进行磁电阻的测量，以研究自旋的注入、在半导体中的输运，以及探测等问题。在这种配置下，铁磁金属薄膜通过光刻等工艺形成不同长宽比的条状电极，这些电极的磁化强度沿长轴方向而有不同的矫顽力。改变沿长轴方向的磁场，在某个很窄的磁场区间(通常只有几到几十个奥斯特)，不同电极的磁化方向反平行，此时可以测到显著的磁电阻变化。可以精确控制强度的磁场，在这里更是举足轻重的实验条件。

现阶段，实验室中主要是通过液氦温度下的超导线圈，或者电磁铁米获取可变的磁场。对于前者，一个显而易见的缺点是其对液氦这种价格昂贵、难以获取的稀缺资源的依赖性；对于后者，使用者往往又不得不忍受其庞大体积、巨大功耗带来的一系列问题。而本发明中使用的钕铁硼永磁体，能够全天候、无耗能地为实验提供强磁场环境，并且拥有和电磁铁相比微小的体积，节省了宝贵的实验室超净空间。然而，对于永磁体自身来说，并不能使其提供的磁场可变，这是其天生的缺点。如果能够基于钕铁硼永磁体，实现一种可以进行磁场扫描的实验结构，无疑将对与磁性相关的实验研究有很大的益处。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法，通过改变所使用的钕铁硼永磁体与待测样品间的相对距离，来改变样品感受到的磁场强度及磁场方向。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于永磁体实现磁场扫描的结构，该结构包括一钕铁硼永磁体、一一维电动平移台及其控制器，其中钕铁硼永磁体通过自制加工件固定在一维电动平移台的台面上。

上述方案中，所述钕铁硼永磁体为一具有同心孔洞的圆柱体，孔洞中的磁场沿轴向变化，并且在轴向中心有数毫米尺度的均匀磁场区域，在该区域磁场强度达到最大。

上述方案中，所述一维电动平移台由直线导轨、滚珠丝杠及可移动台面构成，用以承载钕铁硼永磁体，其分辨率为1微米，并且可编程通过步进电机控制器控制其运动。

上述方案中，该结构还包括一激光器、一物镜、一分光平片、一摄像头、一显示器和一高斯计，其中该激光器和该物镜构成入射光路，该分光平片、该摄像头和该显示器构成监视光路，用以观察入射光路在高斯计探头上的聚焦情况，以确定高斯计的位置，保证高斯计探头的位置与之后放置的待测样品的位置重合。

本发明还提供了一种基于永磁体实现磁场扫描的方法，该方法包括：

步骤1：调节高斯计的位置，通过该监视光路观察，使入射光聚焦到高斯计探头顶端，固定高斯计；

步骤2：控制该一维电动平移台，移动该钕铁硼永磁体，记录每个永磁体位置下的高斯计读数；

步骤3：移走高斯计，将待测样品置于之前高斯计探头的位置，从步骤2所得数据中选取合适的永磁体位置范围，通过程序控制一维电动平移台移动，同时进行测量，获取测量值-磁场强度曲线。

上述方案中，放置待测样品时，通过该监视光路观察，使该入射光路的光聚焦到样品表面。

(三)有益效果

本发明提供的基于永磁体实现磁场扫描的结构及方法，利用钕铁硼永磁体实现了一种可以扫描磁场的实验测量结构。利用本发明，可以紧凑、全天候、无消耗地为实验提供一个可变的磁场环境。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是基于永磁体实现磁场扫描的结构的简图。

图2是具体实施过程中，通过移动钕铁硼永磁体和读取高斯计读数得到的“磁体位置-待测样品处磁场强度”曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1所示，图1是本发明提供的基于永磁体实现磁场扫描的结构示意图。该结构的核心部分为一钕铁硼永磁体MG和一一维电动平移台MV及其控制器。该结构还涉及：一激光器L、一物镜OL、一分光平片BS、一摄像头C、一显示器M和一高斯计GM。

其中钕铁硼永磁体MG为一有同心孔洞的圆柱体，其外径约150毫米，内径约30毫米，高约120毫米。同心孔洞中的磁场沿轴向近线性变化，并且在轴向中心有数毫米尺度的均匀磁场区域，在该区域磁场强度达到最大。

其中一维电动平移台MV由直线导轨、滚珠丝杠及可移动台面组成，有很大的负载能力(大于20千克)，以承载钕铁硼永磁体MG；其分辨率可达到1微米，以保证磁场变化的程度足够精细；并且可以通过编程，由步进电机控制器控制一维电动平移台MV的运动，以满足扫描磁场的实验要求。

其中钕铁硼永磁体MG通过自制的加工件固定在一维电动平移台MV的台面上。

其中由激光器L和物镜OL组成入射光路，由分光平片BS、摄像头C和显示器M组成监视光路，用监视光路观察入射光路在高斯计GM探头上的聚焦情况，以确定高斯计GM的位置，从而保证高斯计GM探头的位置与之后放置的待测样品的位置重合。

本发明的具体实施过程包括以下步骤：

步骤一：调节高斯计GM的位置，通过监视光路观察，使入射光路的光聚焦到高斯计GM的探头，之后固定高斯计GM的位置。此时高斯计GM探头的位置与将要放置的待测样品位置重合，从而高斯计GM所读出的磁场就是待测样品将感受到的磁场。

步骤二：通过步进电机控制器控制一维电动平移台MV，以单步的方式，从零位置到最大位置移动钕铁硼永磁体MG，或者手动记录、或者由高斯计GM输出钕铁硼永磁体MG的每个位置对应的的高斯计GM读数。这样，得到一条“磁体位置-待测样品处磁场强度”曲线，具体结果请参考图2。

步骤三：移走高斯计GM，同样通过监测光路观察入射光路在待测样品上聚焦，将待测样品置于之前高斯计GM探头的位置。

步骤四：从步骤二所得“磁体位置-待测样品处磁场强度”曲线中选取合适的钕铁硼永磁体MG位置范围：在该范围中，待测样品处磁场近似线性地从正向最大磁场变化到反向最大磁场。在这里我们选取从140毫米到200.5毫米的钕铁硼永磁体MG位置范围，待测样品处磁场强度从-13120高斯变化到+7330高斯。具体结果请参考图2。

步骤五：通过步进电机控制器，程控一维电动平移台MV按步骤四中选取的位置范围(140毫米到200.5毫米)移动。同时，在移动的每一步，对待测样品进行预期的各种测量，得到“测量值-磁体位置”曲线。将这条曲线与步骤二所得的“磁体位置-待测样品处磁场强度”曲线对比，即得到一条完整的“测量值-待测样品处磁场强度”曲线。

综上所述，通过控制钕铁硼永磁体MG的位置，可以在待测样品处实现从-13120高斯到+7330高斯的磁场扫描。

以上实施办法说明，本发明基于钕铁硼永磁体，实现了一种可以进行磁场扫描的紧凑、无消耗、全天候的测量结构，并且该结构确实可以给待测样品提供一个可扫描的磁场环境，可以作为液氦超导磁体或电磁体装置的备用甚至替代系统。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于永磁体实现磁场扫描的结构，其特征在于，该结构包括一钕铁硼永磁体、一一维电动平移台及其控制器，其中钕铁硼永磁体通过自制加工件固定在一维电动平移台的台面上；

该结构还包括一激光器、一物镜、一分光平片、一摄像头、一显示器和一高斯计，其中该激光器和该物镜构成入射光路，该分光平片、该摄像头和该显示器构成监视光路，用以观察入射光路在高斯计探头上的聚焦情况，以确定高斯计的位置，保证高斯计探头的位置与之后放置的待测样品的位置重合。

2.根据权利要求1所述的基于永磁体实现磁场扫描的结构，其特征在于，所述钕铁硼永磁体为一具有同心孔洞的圆柱体，孔洞中的磁场沿轴向变化，并且在轴向中心有数毫米尺度的均匀磁场区域，在该区域磁场强度达到最大。

3.根据权利要求1所述的基于永磁体实现磁场扫描的结构，其特征在于，所述一维电动平移台由直线导轨、滚珠丝杠及可移动台面构成，用以承载钕铁硼永磁体，其分辨率为1微米，并且可编程通过步进电机控制器控制其运动。

4.一种基于永磁体实现磁场扫描的方法，应用于权利要求1所述的结构，其特征在于，该方法包括：

步骤1：调节高斯计的位置，通过该监视光路观察，使入射光聚焦到高斯计探头顶端，固定高斯计；

步骤2：控制该一维电动平移台，移动该钕铁硼永磁体，记录每个永磁体位置下的高斯计读数；

步骤3：移走高斯计，将待测样品置于之前高斯计探头的位置，从步骤2所得数据中选取合适的永磁体位置范围，通过程序控制一维电动平移台移动，同时进行测量，获取测量值-磁场强度曲线。

5.根据权利要求4所述的基于永磁体实现磁场扫描的方法，其特征在于，放置待测样品时，通过该监视光路观察，使该入射光路的光聚焦到样品表面。

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