CN203732707U - 脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统，包括电容器组、脉冲磁体、磁场探测线圈、采样电阻、直流电源和前置放大器、杜瓦瓶、温控仪和控制模块；脉冲磁体为中空螺线管结构；磁场探测线圈为中空螺线管结构同轴放置于脉冲磁体中心；采样电阻的一端连接待测样品，另一端与直流电源连接；前置放大器的一端用于采集采样电阻两端的电压，另一端与控制模块连接；温控仪的一端与杜瓦瓶连接，另一端与控制模块连接。本实用新型可以在脉冲磁场下对多铁材料进行测量，与稳态场下测量相比，可提供更高的磁场环境和更大的磁场变化率，在极短时间内，产生更大的响应信号，为弱信号样品的测量提供了一个新途径。

Description

脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统

技术领域

本实用新型属于材料的性能测试领域，更具体地，涉及一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统。

背景技术

多铁材料同时具备铁电、铁磁等多重铁性，其中一类材料在一定温度下存在磁电耦合效应，使多铁性体具有某些特殊的物理性质，引发了若干新的有意义的物理现象。这类材料也在磁场测量、智能滤波器及高密度磁记录方面有潜在的应用价值。

脉冲强磁场是指利用脉冲电源在极短时间(几十毫秒甚至微秒)内对脉冲磁体进行放电而产生的一种强场环境，其特点为磁场场强高，运行费用较低，持续时间短，磁场随时间变化。是一种综合测试平台，可进行材料的电、磁、光、热等性质的研究。

脉冲强磁场下多铁材料磁电性能测试系统目前还没有人进行过报道和公开，对于稳态场磁电性能测试仪方面，2006年，清华大学施展、南策文等人申请专利公开了磁电块体材料的测试装置，实现了对块体多铁材料磁电耦合性能的测量。2010年清华大学李峥、南策文等人申请专利公开了多铁性薄膜材料的磁电性能测试系统及其测试方法，重点解决了对多铁薄膜小信号的测量，及薄膜样品探针加持装置。

目前的测试技术存在的不足有：由于受制于稳态磁场技术限制，目前所能提供的稳态磁场强度较低，很多材料的磁电耦合测量不能得到满足，稳态磁场变化率小，极化电流值很小，不易测得。稳态磁场要持续供能，能源消耗大。产生的焦耳热持续时间长，需要复杂且庞大的冷却设备。建设和使用经济成本高。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统，目的在于测量脉冲强磁场下多铁材料的磁电响应信号；解决了现有技术中稳态磁场变化率小，极化电流值很小，不易测得的问题。

本实用新型提供了一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统，包括电容器组、脉冲磁体、磁场探测线圈、采样电阻、直流电源和前置放大器、杜瓦瓶、温控仪和控制模块；所述脉冲磁体为中空螺线管结构，用于产生脉冲磁场；所述磁场探测线圈为螺线管结构，同轴放置于所述脉冲磁体的中心孔内，并与所述控制模块连接，用于探测脉冲磁体中心的磁场强度；所述采样电阻的一端用于连接待测样品，所述采样电阻的另一端与所述直流电源的一端连接，所述直流电源的另一端与所述控制模块连接；所述前置放大器的一端用于采集所述采样电阻两端的电压，所述前置放大器的另一端与所述控制模块连接；所述温控仪的一端与所述杜瓦瓶连接，所述温控仪的另一端与所述控制模块连接。

更进一步地，所述控制模块为工控机，包括通讯单元、信号采集单元和数据处理单元；所述通讯单元的输出端分别与所述电容器组、直流电源和温控仪连接，所述通讯单元的输入端与所述数据处理单元连接；所述信号采集单元的输入端与所述前置放大器和所述磁场探测线圈连接，所述信号采集单元的输出端与所述数据处理单元连接。

本实用新型可以在脉冲磁场下对多铁材料进行测量，与稳态场下测量相比，可提供更高的磁场环境和更大的磁场变化率，在极短时间内，产生更大的响应信号，为弱信号样品的测量提供了一个新途径。

附图说明

图1是本实用新型提供的脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统原理框图；

图2是本实用新型提供的极化电流测量电路原理图；

图3是本实用新型提供的磁场随时间变化关系曲线图；

图4是本实用新型提供的极化电流随时间变化关系曲线图；

图5是本实用新型提供的极化强度随磁场变化关系曲线图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的脉冲强磁场下多铁材料磁电性能测试系统，涉及材料的性能测试领域。可以通过施加脉冲磁场同时测量多铁样品极化电流信号，获得多铁样品电极化强度随磁场强度的变化规律。

本实用新型的目的是提供一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能测试系统，该测试系统可以测量脉冲强磁场下多铁材料的磁电响应信号，可对多铁材料磁电性能进行测试。

本实用新型是脉冲磁场下对多铁材料进行测量，与稳态场下测量相比，可提供更高的磁场环境和更大的磁场变化率，在极短时间内，产生更大的响应信号，为弱信号样品的测量提供了一个新途径。本实用新型包括直流电源，可提供很高的预极化电场强度；本实用新型包括脉冲磁场发生装置，用于产生磁场强度高、磁场变化率可调的脉冲磁场。本实用新型包括由采样电阻和前置放大器组成的测量回路，为多铁材料的磁电耦合行为微弱信号测量提供了可能性。

一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能测试系统包括：控制模块、磁场产生模块、温度控制模块、信号生成模块。

控制模块10可以采用工控机；工控机包括：通讯单元101、信号采集单元102、数据处理单元103；通讯单元101的输出端分别与电容器组1、直流电源6和温控仪9连接，通讯单元101的输入端与所述数据处理单元103连接；信号采集单元102的输入端与所述前置放大器7和所述磁场探测线圈3连接，信号采集单元102的输出端与所述数据处理单元1连接。

通讯单元101用于工控机10与仪器(电容器组1、直流电源6和温控仪9)间通信，可以由GPIB卡实现，此卡插在工控机主板插槽里，通过GPIB线与直流电源6、温控仪9、电容器组1相连；信号采集单元102用于信号采集，由数据采集卡实现，此采集卡通过主板上的插槽与主板连接，采集卡具有多个采集通道，使用BNC接口分别与探测线圈3、前置放大器7输出接口相连；数据处理单元103用于数据处理及生成控制信号，由焊接在主板上的CPU实现。

磁场产生模块包括：电容器组1、脉冲磁体2，其中：电容器组1用于储存电荷，由工控机10来控制其充、放电。脉冲磁体2为中空螺线管结构。首先，工控机控制电容器组1进行充电。待达到所要求的电量时，工控机10控制电容器组1对脉冲磁体2进行放电。利用法拉第电磁感应原理，产生脉冲磁场。

温度控制模块包括：杜瓦瓶8、温控仪9。杜瓦瓶8用于为样品提供温度恒定的测量环境，内有温度计及加热丝。温度计用于探测杜瓦样品腔中温度，加热丝由温控仪提供电流，用于加热，与杜瓦瓶8中的液氦配合，使杜瓦样品腔保持恒定的温度。温度控制仪接受工控机指令，通过控制加热丝发热功率，控制杜瓦中样品腔的温度。

信号生成模块包括：磁场探测线圈3、样品4、采样电阻5、直流电源6、前置放大器7。磁场探测线圈3为螺线管结构，与脉冲磁体2同轴放置，用于探测脉冲磁体中心的磁场强度。直流电源6、采样电阻5、待测样品4串联连接。工控机通过控制直流电源的输出电压，为待测样品4提供一定的电场强度。前置放大器7接收采样电阻5两端的电压信号，并对信号进行滤波、放大，而后输出给工控机进行处理。

在本实用新型实施例中，采用上述测试系统对脉冲强磁场下多铁材料磁电性能进行测试，可以采用以下具体操作步骤实现：

(1)将待测多铁样品4置于脉冲磁体2的中心；

(2)工控机10发送指令给温控仪9，控制杜瓦8中样品腔到指定温度；

(3)工控机10发送设置指令到直流电源6，输出指定电压，用于对待测样品4形成极化电场；

(4)工控机10控制电容器组1充电，待电容器组充电完全后，电容器组对脉冲磁体2放电，产生脉冲磁场H；

(5)同时采集采样电阻5两端电压信号V，经前置放大器7放大、滤波后，输出给工控机10；

(6)同时磁场探测线圈3将感应信号V_B输出给工控机10；

(7)根据如下公式，工控机10进行数据处理得到极化强度P随时间的变化关系；其中：R为采样电阻阻值，S为样品电极面积，t为数据采集时间； $P=\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Vd\ϵ}}{S}$

(8)工控机10读取磁场探测线圈3感应信号V_B，根据如下公式，工控机10进行数据处理得到磁场强度B随时间的变化关系；其中，t为数据采集时间；

(9)根据P、B与时间的一一对应关系，经工控机10数据处理，得出极化强度P随脉冲磁场强度B的变化关系。

为了更进一步的说明本实用新型，现结合具体实例详述如下：

通过固相烧结制备CuFeO₂多晶棒样品，用浮区法制备出单晶样品棒。利用X射线单晶定向仪定向后取薄盘壮样品。样品经处理后，上电极并用引线按照图2所示电路连接。按照上述步骤，设置杜瓦样品腔温度，极化电场强度、电容器组充放电。所得磁场随时间的变化关系如图3所示，由图可知该系统可提供很高的磁场强度，最高可实现60T高场强。极化电流随时间的关系如图4所示，由图可知，在峰值为52T的脉冲磁场诱导下，CuFeO₂样品极化电流随时间的变化曲线可明显观察到四个尖峰，说明在该温度、磁场下，样品存在磁场诱导的自发极化变化。0.02s处小峰为测量电路感应磁场所致，可通过施加反向电场再次测量抵消掉。处理后极化强度P随磁场强度B的变化关系如图5所示，由图可知，在升场8-14T，降场13-7T时观察到明显电极化，另外，磁场诱导的电极化行为存在明显的弛豫现象，这些结果与与文献报道的脉冲场测量该样品的磁化曲线结果相吻合。说明该系统所测量极化信号强，信噪比高，磁场强度高，可实现对多铁材料磁电效应的有效测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种脉冲强磁场下多铁材料磁电性能的测试系统，其特征在于，包括电容器组(1)、脉冲磁体(2)、磁场探测线圈(3)、采样电阻(5)、直流电源(6)和前置放大器(7)、杜瓦瓶(8)、温控仪(9)和控制模块(10)；

所述脉冲磁体(2)为中空螺线管结构，用于产生脉冲磁场；

所述磁场探测线圈(3)为中空螺线管结构，同轴放置于所述脉冲磁体(2)的中心孔内，并与所述控制模块(10)连接，用于探测脉冲磁体中心的磁场强度；

所述采样电阻(5)的一端用于连接待测样品(4)，所述采样电阻(5)的另一端与所述直流电源(6)的一端连接，所述直流电源(6)的另一端与所述控制模块(10)连接；

所述前置放大器(7)的一端用于采集所述采样电阻(5)两端的电压，所述前置放大器(7)的另一端与所述控制模块(10)连接；

所述温控仪(9)的一端与所述杜瓦瓶(8)连接，所述温控仪(9)的另一端与所述控制模块(10)连接。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述控制模块(10)为工控机，包括通讯单元(101)、信号采集单元(102)和数据处理单元(103)：

所述通讯单元(101)的输出端分别与所述电容器组(1)、直流电源(6)和温控仪(9)连接，所述通讯单元(101)的输入端与所述数据处理单元(103)连接；

所述信号采集单元(102)的输入端与所述前置放大器(7)和所述磁场探测线圈(3)连接，所述信号采集单元(102)的输出端与所述数据处理单元(103)连接。