CN105203973A - 一种弱磁性检测装置 - Google Patents

Abstract

一种弱磁性检测装置，由屏蔽室、低温直流超导量子干涉仪单元、移动平台单元、振动单元和数据处理系统组成。移动平台单元负责使样品按照设计的扫描轨迹移动，振动单元在样品移动过程中按照设定的频率和幅度在垂直方向带动样品进行振动，低温直流超导量子干涉仪单元在样品移动过程中采集测量的磁场值，数据处理系统对采集到的磁场值的时域图进行频谱分析，将设定好的频率范围提取出来然后进行反变换，得到滤除噪声后样品的磁性值。

Description

一种弱磁性检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测样品磁性分布的装置。

背景技术

目前对小样品磁成像的方法有很多，例如磁光技术、小角度中子散射。扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、磁力显微镜、超导量子干涉仪显微镜等仪器广泛用于检测样品。这些仪器在空间分辨率和磁场灵敏度方面存在差异，各有利弊。超导量子干涉仪显微镜虽然空间分辨率不是最高的，但是它的磁场灵敏度比其他方法要高很多，所以超导量子干涉仪显微镜是目前为止探测微米尺度结构中微弱磁场最灵敏的仪器，可以检测小于10^-10T的磁场。

上世纪IBM公司就已经利用超导量子干涉仪传感器搭建了扫描超导量子干涉仪显微镜，可以对小样品进行扫描，随后又有很多不同类型的扫描超导量子干涉仪显微镜研制成功。现有的扫描超导量子干涉仪显微镜的传感器分为高温超导量子干涉仪和低温超导量子干涉仪，类型上分为冷样品与热样品两种。冷样品类型的扫描超导量子干涉仪显微镜可以获得高的空间分辨率，但在使用上也存在一些限制，例如样品更换，样品要求能耐低温等等。热样品类型的扫描超导量子干涉仪显微镜牺牲了空间分辨率，但是也有优点：对被测样品几乎没有限制，而且方便更换样品，因此通常用于无损检测和生物样品检测中。

环境中存在有很多其他的电磁干扰，这些都会给测量带来影响，最常见的就是地磁场，强度在0.5-0.6高斯,还有工频交流电产生的磁场干扰。现有的屏蔽噪声的方法有：屏蔽室、使用梯度线圈、增加屏蔽罩等。屏蔽室由于结构中存在接缝、打孔等，可能增加屏蔽室的磁阻，导致屏蔽效果有限，梯度线圈由于工艺的问题，线圈大小存在差异，中心轴不一致，也存在噪声干扰。所以对于弱磁检测设备，需要有更好的噪声解决方案。

中国专利201010182050.8提出的一种生物内源磁颗粒检测装置，描述了一种使用超导量子干涉仪来检测生物标本的装置，该专利使用了传统的屏蔽室和梯度线圈两种方式来减少环境噪声的干扰，但屏蔽室由于密封等问题，屏蔽效果有限，梯度线圈由于工艺水平，也会有噪声干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出一种弱磁性检测装置。本发明可以有效滤除环境磁场噪声的影响，对样品微弱磁性信号进行检测。

本发明将超导量子干涉仪传感器和高精度三维移动平台组合成一种扫描系统，并在垂直方向加入振动单元，给被测样品施加一个频率和幅度双可调的振动，使得被测样品的有效信号以设定的频率进行变化，通过频域分析等方法，从噪声中有效提取样品的磁性值，并绘制被测样品的二维磁性分布图。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明弱磁性检测装置主要包括：低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元、移动平台单元、数据处理系统和屏蔽室。

所述的低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元和移动平台单元置于屏蔽室内，屏蔽室屏蔽地磁场对系统的影响。数据处理系统位于屏蔽室外。

所述的三维移动平台安装在检测装置底部的大理石平台上，位于大理石平台的正中间。三维移动平台负责移动样品。所述的振动单元安装在三维移动平台的Z轴上，对样品产生频率和幅度可调的振动。低温直流超导量子干涉仪单元通过其固定支架垂直安装在三维移动平台的正上方，检测采集样品的弱磁信号。数据处理系统通过数据线分别与低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元和三维移动平台连接，对三维移动平台和振动单元进行控制，对低温直流超导量子干涉仪单元采集到的信号数据进行处理分析，绘制样品的二维磁性分布图。

所述的低温直流超导量子干涉仪单元包括无磁桌、固定支架、低温无磁杜瓦、低温直流超导量子干涉仪、梯度线圈和低温数据线。其中无磁桌的桌腿采用无磁材料铝制作，桌面采用打磨过的环氧材料制作，桌面中心开有一个圆孔，样品支架穿过此圆孔。桌面水平固定在铝桌腿上。固定支架也采用铝制作，固定在无磁桌面上。低温无磁杜瓦垂直安装在固定支架的中心，垂直于底部的三维移动平台。低温直流超导量子干涉仪、梯度线圈和低温数据线置于低温无磁杜瓦内部。梯度线圈采用的是一阶梯度计形式，可以有效抑制远场的噪声影响，并且制作和安装更容易。梯度线圈通过铌钛螺钉与低温超导量子干涉仪的输入线圈连接。低温直流超导量子干涉仪通过低温数据线与低温无磁杜瓦外的数据线连接。

移动平台单元包括大理石底座、三维移动平台、电机控制器。三维移动平台安装在大理石底座上表面的中心，通过铜螺钉固定，防止在移动时在大理石底座上发生位移。位于XYZ三个轴向方向的直线电机驱动样品进行三维移动。电机控制器实时控制三个直线电机。为了防止对测量的干扰，电机控制器放置在屏蔽间外，通过三根控制线分别和三个直线电机相连。

振动单元包括压电陶瓷片、DDS芯片和样品支架。振动单元固定在三维移动平台的Z轴上，封装在一个铝盒中。DDS芯片的一端通过数据线和数据处理系统相连，另一端和压电陶瓷片连接，DDS芯片产生频率和幅度可调的正弦波，用来驱动压电陶瓷片产生振动。样品支架包括支杆和样品托盘，使用无磁材料制作，样品托盘通过支杆固定在压电陶瓷片上，压电陶瓷片带动样品托盘振动。封装有所述振动单元的铝盒上表面开有孔，低温直流超导量子干涉仪单元的无磁桌桌面的中心位置开有圆孔，样品托盘穿出无磁桌圆孔和铝盒上表面的开孔，正对低温直流超导量子干涉仪单元。

所述的屏蔽室主要实现对地磁场和背景噪声的屏蔽功能。屏蔽室的容积足够容纳整套系统，并能满足至少一人进行样品更换等实验操作的条件。屏蔽室材料采用三层高导电的镍铬合金板，使屏蔽室内安装系统处的静磁场磁感应强度满足指标要求。为了防止对信号采集引入噪声影响，将电机控制器和数据处理系统放置在屏蔽室外，其他部件都放置在屏蔽室中静磁场最小的位置。

所述的低温直流超导量子干涉仪单元的梯度接收线圈为一阶梯度计形式，在蓝宝石柱上由两个串联的相反绕向的多匝线圈构成。使用梯度线圈可以有效滤除远磁场的噪声影响，对于近磁场无影响。梯度线圈和低温直流超导量子干涉仪传感器的输入线圈相连。

所述的振动单元是本发明区别于现有扫描超导量子干涉仪显微镜的重要特征。振动单元的各组件封装在一个铝盒中，通过铜螺钉固定在三维移动平台的Z轴上。振动单元由DDS芯片、压电陶瓷片和样品支架组成。数据采集卡的数字I/O口模拟SPI总线与DDS芯片通信，对DDS芯片进行编程控制从而实现频率和振幅双可调的标准正弦信号的输出。DDS芯片的输出端接到压电陶瓷片上，DDS芯片产生正弦信号驱动压电陶瓷片在垂直方向平稳振动。输出的正弦信号频率稳定、精确，且对压电陶瓷片不会造成过大的冲击。为了减小振动单元产生的电磁干扰对梯度接收线圈的干扰，本发明样品支架利用无磁的支杆和圆形样品托盘将振动单元与样品分离，采用玻璃钢制成支杆和样品托盘，支杆的一端支撑在圆形样品托盘的中心，支杆的另一端垂直安装在压电陶瓷片上。样品托盘水平安装在支杆上方。

所述的移动平台单元主要完成对样品精确的三维移动。数据处理系统设定移动路径，向电机控制器发送命令，驱动三维移动平台移动，实现样品的移动。三维移动平台在XYZ三个轴向的移动精度达到25um，重复位移精度达到了15um，可以实现对小样品的磁性分布进行测量。

所述的数据处理系统负责移动平台单元的路径规划、振动单元的参数设置、超导量子干涉仪数据的收集与处理。最终对数据进行频域分析滤除噪声，反变换并绘出样品的二维磁性分布图。

附图说明

图1是本发明弱磁性检测装置的侧视图；

图2是本发明弱磁性检测装置的俯视图；

图中：1磁屏蔽室，2低温无磁杜瓦，3低温直流超导量子干涉仪，4固定支架，5梯度线圈，6样品支架，7无磁桌，8振动单元，9三维移动平台，10数据处理系统，11大理石底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明：

本发明主要包括屏蔽室1、低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元8、移动平台单元和数据处理系统10。

所述的低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元8和移动平台单元置于屏蔽室1内，屏蔽室1对地磁场进行屏蔽。数据处理系统10放置在屏蔽室1之外。三维移动平台9安装在大理石底座11上表面的中心位置。振动单元8安装在三维移动平台9的Z轴上。低温直流超导量子干涉仪单元通过其固定支架4垂直安装在三维移动平台的正上方，检测采集样品的弱磁信号。数据处理系统10通过数据线与低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元8和三维移动平台9连接，对三维移动平台9和振动单元8进行控制，完成对采集到的数据进行处理分析，得到二维分布图。

所述的低温直流超导量子干涉仪单元包括无磁桌7、固定支架4、低温无磁杜瓦2、低温直流超导量子干涉仪3、梯度线圈5和低温数据线。无磁桌7通过铜螺钉固定在大理石底座11上，调整桌面保持水平，并在桌面正中间开一个可以通过样品支架6的圆孔。固定支架4通过铜螺钉安装在无磁桌7的表面。低温无磁杜瓦2垂直安装在固定支架4的中心，垂直于无磁桌7桌面，正对桌面中心的圆孔。低温直流超导量子干涉仪3、梯度线圈5和低温数据线放置于低温无磁杜瓦2内。梯度线圈5通过铌钛螺钉与低温直流超导量子干涉仪的输入线圈连接。低温直流超导量子干涉仪3通过低温数据线与低温无磁杜瓦4外的数据处理系统10连接。

移动平台单元包括大理石底座11、三维移动平台9、电机控制器。三维移动平台9安装在大理石底座11上表面，位于XYZ三个轴向方向的直线电机带动样品支杆6进行三维移动。电机控制器实时控制三个直线电机。电机控制器放置在屏蔽室1外，通过三根控制线分别和三个直线电机相连。

振动单元8包括压电陶瓷片、DDS芯片和样品支架6。振动单元8固定在三维移动平台9的Z轴上，封装在一个铝盒中。DDS芯片的输入端通过数据线和数据处理系统10相连，接收数据处理系统10发送的频率和幅度设置的数字信号，输出端和压电陶瓷片连接，DDS芯片产生频率和幅度可调的正弦波，用来驱动压电陶瓷片产生振动。样品支架6包括支杆和样品托盘，采用无磁材料玻璃钢制作，支杆下端垂直安装在压电陶瓷片上，支杆的上端固定在圆形样品托盘的中心，样品托盘水平放置。封装有所述振动单元的铝盒上表面开有孔，低温直流超导量子干涉仪单元的无磁桌桌面的中心位置开有圆孔，样品托盘穿出无磁桌圆孔和铝盒上表面的开孔，正对低温直流超导量子干涉仪单元。

大理石底座11位于屏蔽室1中静磁场最小的位置，三维移动平台9用铜螺钉固定在大理石底座11的上表面正中心，调整好三个轴向的位置，使XY轴在水平面上，Z轴垂直于XY平面，三维移动平台9通过数据控制线与屏蔽间1外的数据处理系统10相连。振动单元8中DDS芯片的输出端与压电陶瓷片相连，DDS芯片的输入端通过数据线与数据处理系统10中的数据采集卡相连。振动单元8封装在一个铝制盒子中，通过铜螺钉固定在三维移动平台9的Z轴顶部。振动单元8的铝盒上方开孔，样品支架6的支杆通过该通孔固定在压电陶瓷片上，支杆垂直于压电陶瓷片。无磁桌7的桌面中心位置开圆孔，样品支架6向上穿出圆孔。

数据处理系统10处于屏蔽室1的外面，数据处理系统10中包含了数据采集卡可以对振动单元8进行控制，包含的移动控制器对三维移动平台9进行控制，包含了数据采集卡对低温直流超导量子干涉仪3采集到的数据进行接收。

本发明的工作过程如下：

低温无磁杜瓦2中灌入液氦，使温度降低到5K以下，低温直流超导量子干涉仪3处于超导状态。样品支架6的托盘处于低温无磁杜瓦2正下方10cm处，将待测样品放在样品支架6的托盘上，数据处理系统10中的电机控制器向三维移动平台9的Z轴电机发送向上移动的命令，电机带动样品支杆6向上移动，使样品接近低温无磁杜瓦2的底部正中心。电机控制器向XY轴电机发送移动命令，三维移动平台9带动样品支杆6移动到扫描的起点。通过数据处理系统10设置好振动单元8的振动频率与幅度，通过数据线发送到振动单元8的DDS芯片，DDS芯片产生正弦信号发送给压电陶瓷片，压电陶瓷片根据正弦信号的频率和幅度开始在垂直方向振动，通过固定在压电陶瓷片上的样品支杆6带动样品振动。数据处理系统10开启低温直流超导量子干涉仪3，使之处于工作状态。电机控制器按照设置好的移动路径控制三维移动平台9，并在每个测试点停留1s的时间。梯度线圈5将捕获到的磁通耦合给低温直流超导量子干涉仪3，根据超导量子干涉原理，低温直流超导量子干涉仪3将磁通转换为电压，通过数据线传给数据处理系统10。扫描完毕后，关闭低温直流超导量子干涉仪3，然后停止振动单元8，三维移动平台9带动样品支架6回到最初放置样品的位置。

经过扫描和数据采集，数据处理系统10得到样品磁性值的数据波形，含有环境噪声。对数据波形的时域图进行时频转换，得到数据波形的频域分布图。根据振动单元8设置的振动频率选择一个窗函数，对数据波形的频域分布信号进行频率提取，滤除掉振动频率以外的噪声频率，然后对数据波形的频域分布图进行反变换得到时域图。通过这种方法，可以有效滤除掉环境中其他频率的噪声。在时域波形图中，将每个测试点停留1s时所测到的波形进行分别处理，每个测试点在停留1s时间内测到的波形求均值，即该测试点处样品的磁性大小。对所有测试点的数据进行以上处理完后，可以对应得到每个测试点滤除噪声后的磁性值，然后绘制出该样品的二维磁性分布图。

Claims (6)

1.一种弱磁性检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括屏蔽室(1)、低温直流超导量子干涉仪单元、移动平台单元、振动单元(8)和数据处理系统(10)；所述的低温直流超导量子干涉仪单元、振动单元(8)和移动平台单元置于屏蔽室(1)内，屏蔽室(1)屏蔽地磁场；数据处理系统(10)放置在屏蔽室(1)外；三维移动平台(9)安装在大理石底座(11)的上表面的中心；振动单元(8)安装在三维移动平台(9)Z轴的顶部，封装在一个铝盒中；低温直流超导量子干涉仪单元检测采集样品弱磁信号，低温直流超导量子干涉仪单元垂直于三维移动平台(9)上方，数据处理系统(10)通过数据线与低温直流超导量子干涉仪单元连接，处理分析低温直流超导量子干涉仪单元采集的信号数据，得到样品的磁性值。

2.按照权利要求1所述的弱磁性检测装置，其特征在于：所述的移动平台单元包括大理石底座(11)、三维移动平台(9)、电机控制器；三维移动平台(9)安装在大理石底座(11)的上表面，位于XYZ三个轴向方向的直线电机带动样品支架(6)进行三维移动；电机控制器实时控制三个直线电机；电机控制器放置在屏蔽室(1)外，通过三根控制线分别和三个直线电机相连；大理石底座(11)位于屏蔽室(1)中静磁场最小的位置。

3.按照权利要求1所述的弱磁性检测装置，其特征在于：所述的低温直流超导量子干涉仪单元包括无磁桌(7)、固定支架(4)、低温无磁杜瓦(2)、低温直流超导量子干涉仪(3)、梯度线圈(5)和低温数据线；无磁桌(7)固定在大理石底座上，固定支架(4)安装在无磁桌(7)上，低温无磁杜瓦(2)垂直安装在固定支架(4)的中心，垂直于三维移动平台(9)上方；低温直流超导量子干涉仪(3)、梯度线圈(5)和低温数据线置于低温无磁杜瓦(2)内；梯度线圈(5)通过铌钛螺钉与低温直流超导量子干涉仪(3)的输入线圈连接；低温直流超导量子干涉仪(3)通过低温数据线与低温无磁杜瓦(4)外的数据处理系统(10)连接。

4.按照权利要求1所述的弱磁性检测装置，其特征在于：所述的振动单元(8)包括压电陶瓷片、DDS芯片和样品支架(6)；DDS芯片的输入端通过数据线和数据处理系统(10)相连，DDS芯片的输出端和压电陶瓷片连接，DDS芯片产生频率和幅度可调的正弦波，用来驱动压电陶瓷片产生振动；样品支架(6)使用无磁材料制作，包括支杆和圆形的样品托盘；支杆上端固定在水平安装的样品托盘的正中心，支杆下端垂直固定在压电陶瓷片上，压电陶瓷片带动样品支架(6)振动。

5.按照权利要求1所述的弱磁性检测装置，其特征在于：封装有所述振动单元(8)的铝盒上表面开有孔，样品支架6穿过开孔垂直安装在压电陶瓷片上；低温直流超导量子干涉仪单元的无磁桌(7)桌面的中心位置开圆孔，样品支架(6)的样品托盘穿出无磁桌(7)桌面的圆孔和所述铝盒上表面的开孔，正对低温直流超导量子干涉仪单元。

6.根据权利要求1所述的弱磁性检测装置，其特征在于：对样品进行扫描式测量时，振动单元(8)按照设定的频率振动，低温直流超导量子干涉仪单元对每个测量点采样到的时域波形进行频域变换，使用窗函数滤出振动频率的部分，再将频域波形反变换，得到的时域波形为滤除噪声后的测量信号，即样品在一个点振动时被探测到的磁信号；对波形求均值，便得到该测量点滤除噪声后的磁性值。