ES2415558B1 - DEVICE AND METHOD OF SENSATING MAGNETIC MATERIALS - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y método de sensado de materiales magnéticos.#La invención hace referencia a un dispositivo y a un método de sensado de materiales magnéticos basados en el principio de levitación diamagnética. El dispositivo comprende un sistema de imanes permanentes donde, al menos uno de ellos, se encuentra en posición levitante de equilibrio estable, por medio de la presencia de al menos un elemento diamagnético, y donde se somete una muestra magnética bajo estudio a la acción del sistema de imanes del dispositivo. El método de la invención permite medir con precisión campos magnéticos débiles, mediante un dispositivo de menor complejidad que los magnetómetros existentes en el estado de la técnica, y que implica, además, costes de fabricación bajos.Device and method of sensing of magnetic materials # The invention refers to a device and a method of sensing of magnetic materials based on the principle of diamagnetic levitation. The device comprises a system of permanent magnets where, at least one of them, is in a levitant position of stable equilibrium, by means of the presence of at least one diamagnetic element, and where a magnetic sample under study is subjected to the action of the device magnet system. The method of the invention allows to accurately measure weak magnetic fields, by means of a device of less complexity than the magnetometers existing in the state of the art, and which also implies low manufacturing costs.
Description
DISPOSITIVO Y MÉTODO DE SENSADO DE MATERIALES MAGNÉTICOS DEVICE AND METHOD OF SENSATING MAGNETIC MATERIALS
La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método basados en levitación diamagnética, destinados preferentemente al sensado de muestras de materiales magnéticos. The present invention refers to a device and method based on diamagnetic levitation, preferably intended for sensing samples of magnetic materials.
Dentro del campo perteneciente a la medición de cantidades muy pequeñas de materiales magnéticos, hoy en día existen diversos aparatos capaces de medir con precisión campos magnéticos débiles presentes en Within the field belonging to the measurement of very small quantities of magnetic materials, today there are various devices capable of accurately measuring weak magnetic fields present in
15 muestras bajo estudio. Principalmente, dichos aparatos se basan en la tecnología de sistemas SQUID (del inglés “superconducting quantum interference devices”, o dispositivos superconductores de interferencia cuántica), que permiten medir muestras con campos magnéticos de hasta 15 samples under study. Mainly, these devices are based on the technology of SQUID systems (in English "superconducting quantum interference devices", or superconducting devices of quantum interference), which allow to measure samples with magnetic fields of up to
10-1810-18
Tesla, siendo hoy en día los magnetómetros más sensibles Tesla, being today the most sensitive magnetometers
20 conocidos. Si bien los citados dispositivos SQUID presentan una gran precisión en la medida de campos magnéticos, su utilización se realiza en condiciones técnicas muy exigentes, ya que, para su correcto funcionamiento, necesitan incorporar un sistema de refrigeración 25 criogénico asociado, lo que aumenta notablemente los costes de adquisición de este tipo de aparatos, que actualmente se aproxima los 20 known. Although the aforementioned SQUID devices have great precision in the measurement of magnetic fields, their use is carried out under very demanding technical conditions, since, for their correct operation, they need to incorporate an associated cryogenic cooling system 25, which significantly increases the acquisition costs of this type of equipment, which currently approximates the
300.000 € por dispositivo. Otros magnetómetros más recientes, como por ejemplo los basados en dispositivos SERF (del inglés, “spin exchange relaxation-free devices”, € 300,000 per device. Other more recent magnetometers, such as those based on SERF devices (“spin exchange relaxation-free devices”)
30 dispositivos basados en intercambio de spin sin relajación) permiten también medir campos magnéticos muy débiles, sin recurrir a condiciones criogénicas, aunque sólo pueden operar a campos prácticamente nulos, sin posibilidad de medir campos de mayor intensidad, y sus condiciones de uso también son técnicamente exigentes, ya que requieren el calentamiento previo de un vapor de metal alcalino, así como un medio 30 devices based on spin exchange without relaxation) also allow to measure very weak magnetic fields, without resorting to cryogenic conditions, although they can only operate at practically null fields, without the possibility of measuring fields of greater intensity, and their conditions of use are also technically demanding, since they require the preheating of an alkali metal vapor, as well as a medium
5 destinado a tal fin asociado al magnetómetro, lo que de nuevo incrementa notablemente los costes de producción y venta de estos aparatos. 5 intended for this purpose associated with the magnetometer, which again significantly increases the costs of production and sale of these devices.
A la luz de los problemas anteriormente referidos que plantea actualmente el estado de la técnica, se hace necesario desarrollar, pues, alternativas técnicas dentro del campo de la invención, que consigan In light of the aforementioned problems currently posed by the state of the art, it is therefore necessary to develop technical alternatives within the scope of the invention, which achieve
10 medir con precisión campos magnéticos débiles (aunque no necesariamente campos muy próximos a cero, como en el caso de los magnetómetros SERF), cuyos requisitos de funcionamiento no lleven asociados procesos previos al sensado técnicamente complejos (como la obtención de temperaturas criogénicas o el calentamiento de los átomos 10 accurately measure weak magnetic fields (although not necessarily fields very close to zero, as in the case of SERF magnetometers), whose operating requirements do not involve technically complex pre-sensing processes (such as obtaining cryogenic temperatures or heating) of the atoms
15 de sensado), y que además impliquen costes de fabricación y adquisición bajos. La presente invención está orientada a satisfacer dicha necesidad. 15 sensing), and which also involve low manufacturing and acquisition costs. The present invention is oriented to satisfy said need.
20 La presente invención está destinada a obtener magnetómetros de precisión para la medida de campos magnéticos débiles asociados a muestras bajo estudio. Dicho objetivo se alcanza mediante un dispositivo de sensado de materiales basado en los principios de levitación The present invention is intended to obtain precision magnetometers for the measurement of weak magnetic fields associated with samples under study. This objective is achieved through a material sensing device based on the principles of levitation
25 diamagnética, que comprende: -un primer imán situado en una posición fija; 25 diamagnetic, comprising: a first magnet located in a fixed position;
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- un segundo imán levitante en equilibrio estable, suspendido bajo el efecto del campo magnético del primer imán, y configurado para interaccionar magnéticamente con una muestra de material magnético a second levitant magnet in stable equilibrium, suspended under the effect of the magnetic field of the first magnet, and configured to interact magnetically with a sample of magnetic material
30 objeto del sensado; 30 object of sensing;
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- al menos, un elemento diamagnético, situado a una distancia fija del primer imán, encontrándose dicho elemento diamagnético bajo la acción del campo magnético del primer imán y del segundo imán levitante; at least one diamagnetic element, located at a fixed distance from the first magnet, said diamagnetic element being under the action of the magnetic field of the first magnet and the second levitating magnet;
5 - al menos, un sensor de la posición del segundo imán levitante y/o un sensor del campo magnético al que se encuentra sometido el segundo imán levitante. 5 - at least one sensor of the position of the second levitating magnet and / or a sensor of the magnetic field to which the second levitating magnet is subjected.
El término “fijo”, referido a una posición o a una distancia entre elementos del dispositivo de la invención, ha de interpretarse como 10 aquella posición o distancia que no presenta variaciones con relación a The term "fixed", referring to a position or a distance between elements of the device of the invention, is to be interpreted as that position or distance that does not show variations in relation to
dichos elementos. these elements.
El término “levitante en equilibrio estable” ha de interpretarse, en el presente documento, como un estado de suspensión en el espacio que se mantiene estable, incluso bajo la presencia de pequeñas perturbaciones The term "levitant in stable equilibrium" is to be interpreted herein as a state of suspension in space that remains stable, even in the presence of small disturbances.
15 externas. Mediante la presente invención se consigue un dispositivo de gran sensibilidad a las propiedades magnéticas de las muestras bajo estudio, comparable a la que poseen los detectores SQUID o SERF, y que presentan una mayor simplicidad en el diseño de sus componentes, al no 15 external By means of the present invention, a device of great sensitivity to the magnetic properties of the samples under study is achieved, comparable to that possessed by the SQUID or SERF detectors, and which have a greater simplicity in the design of their components, by not
20 requerir condiciones de superconductividad en su funcionamiento (con la exigencia de baja temperatura que ello conlleva) y sin necesidad de un calentamiento previo de vapor de sensado de los dispositivos SERF. En una realización preferente de la invención, el dispositivo comprende una bobina para el control de la posición del segundo imán 20 require conditions of superconductivity in its operation (with the low temperature requirement that this entails) and without the need for preheating of sensing steam of SERF devices. In a preferred embodiment of the invention, the device comprises a coil for controlling the position of the second magnet
25 levitante. Se consigue con ello una mayor precisión en las condiciones del sensado, pudiendo, mediante la generación de un campo magnético inducido en la bobina, modificar la distancia entre el imán levitante y la muestra magnética bajo estudio según las necesidades del usuario. 25 levitating This achieves greater precision in the sensing conditions, being able, by generating a magnetic field induced in the coil, to modify the distance between the levitating magnet and the magnetic sample under study according to the needs of the user.
En otra realización preferente de la invención, el dispositivo de 30 sensado comprende un generador de corriente configurado para generar, mediante su conexión a la bobina, un campo magnético variable de In another preferred embodiment of the invention, the sensing device comprises a current generator configured to generate, through its connection to the coil, a variable magnetic field of
frecuencia igual a la frecuencia de resonancia mecánica del segundo imán levitante. Se consigue con ello un dispositivo sensible a la variación de la posición del imán levitante en función de su frecuencia de resonancia, lo que proporciona una precisión en la detección de muestras frequency equal to the mechanical resonance frequency of the second levitating magnet. This achieves a device sensitive to the variation of the position of the levitating magnet based on its resonance frequency, which provides precision in the detection of samples
5 magnéticas al menos 100 veces superior a la sensibilidad de los detectores SQUID comerciales. 5 magnetic at least 100 times higher than the sensitivity of commercial SQUID detectors.
En una realización preferente adicional de la invención, el sensor del campo magnético es un sensor de efecto Hall. Se consigue con ello un medio efectivo para la detección del campo magnético al que se In a further preferred embodiment of the invention, the magnetic field sensor is a Hall effect sensor. This achieves an effective means for the detection of the magnetic field to which
10 encuentra sometido el segundo imán levitante. En una realización preferente de la invención, el sensor de posición del segundo imán levitante es un sensor óptico. Se consigue con ello una alternativa al sensor Hall que también proporciona una gran efectividad en la medida de la posición y el campo magnético del imán levitante. 10 finds the second levitating magnet subjected. In a preferred embodiment of the invention, the position sensor of the second levitating magnet is an optical sensor. This achieves an alternative to the Hall sensor that also provides great effectiveness in measuring the position and magnetic field of the levitating magnet.
15 En una realización más de la invención, el sensor del campo magnético comprende un voltímetro que registra las variaciones en la medida del sensor. Se consigue con ello un medio para estimar las propiedades magnéticas de la muestra por medio de la variación máxima registrada en dicho sensor por la presencia de los elementos magnéticos In a further embodiment of the invention, the magnetic field sensor comprises a voltmeter that records the variations in the measurement of the sensor. A means is thus achieved to estimate the magnetic properties of the sample by means of the maximum variation recorded in said sensor by the presence of the magnetic elements.
20 del dispositivo. En otra realización preferente de la invención, el elemento diamagnético posee forma de lámina. Se consigue con ello una gran estabilidad en la posición del imán levitante. En una realización alternativa de la invención, el dispositivo de 20 of the device. In another preferred embodiment of the invention, the diamagnetic element has a sheet shape. This achieves great stability in the position of the levitating magnet. In an alternative embodiment of the invention, the device
25 sensado comprende dos elementos diamagnéticos. Se consigue con ello una configuración que proporciona una gran estabilidad en la configuración de equilibrio de la posición del imán levitante. Sensing comprises two diamagnetic elements. This achieves a configuration that provides great stability in the equilibrium configuration of the position of the levitating magnet.
En otra realización de la invención, el segundo imán levitante y la muestra de material magnético bajo estudio se encuentran situados a una 30 distancia preferentemente comprendida entre 1 y 10 mm. Se consigue In another embodiment of the invention, the second levitating magnet and the sample of magnetic material under study are located at a distance preferably between 1 and 10 mm. Is achieved
con ello una sensibilidad de medida suficiente para que el sensor de campo magnético pueda detectar la presencia de la muestra. Otro objeto de la presente invención es un método de sensado de materiales magnéticos que comprende el uso de un dispositivo según with this a sufficient measurement sensitivity so that the magnetic field sensor can detect the presence of the sample. Another object of the present invention is a method of sensing magnetic materials comprising the use of a device according to
5 cualquiera de realizaciones anteriormente descritas, donde dicho dispositivo está configurado en una posición de equilibro estable del segundo imán levitante, y donde dicha posición presenta un desplazamiento frente a la posición de equilibrio que presentaría el segundo imán levitante en ausencia de la muestra de material magnético. 5 any of the above described embodiments, wherein said device is configured in a stable equilibrium position of the second levitating magnet, and where said position presents a displacement in front of the equilibrium position that the second levitating magnet would present in the absence of the sample of magnetic material .
10 Se consigue con ello un método eficaz, por su alta precisión y sencillez, para la medición de las propiedades magnéticas de muestras bajo estudio. En una realización preferente del método de la invención, el desplazamiento de la posición del segundo imán levitante se mide 10 An effective method is thus achieved, due to its high precision and simplicity, for measuring the magnetic properties of samples under study. In a preferred embodiment of the method of the invention, the displacement of the position of the second levitating magnet is measured.
15 mediante el sensor de posición o el sensor de campo magnético. Se consigue con ello un medio sensible para determinar, a través de dicho desplazamiento, el campo magnético generado por la muestra magnética bajo estudio. En otra realización preferente del método de sensado de la 15 using the position sensor or magnetic field sensor. A sensitive means is thus obtained to determine, through said displacement, the magnetic field generated by the magnetic sample under study. In another preferred embodiment of the sensing method of the
20 invención, por medio de la generación de una corriente a través de la bobina, se hace oscilar el imán levitante a una frecuencia igual a su frecuencia de resonancia mecánica. Preferentemente, el método comprende la comparación del campo magnético medido en el imán levitante sin la presencia de la muestra de material magnético, con el The invention, by means of generating a current through the coil, the levitating magnet is oscillated at a frequency equal to its mechanical resonance frequency. Preferably, the method comprises comparing the magnetic field measured in the levitating magnet without the presence of the sample of magnetic material, with the
25 campo magnético medido en presencia de dicha muestra de material magnético, estando el segundo imán levitante sometido, asimismo, a un campo magnético variable de frecuencia igual su frecuencia de resonancia mecánica. Se consigue con ello una configuración de estabilidad en la posición del imán levitante enormemente sensible a las 25 magnetic field measured in the presence of said sample of magnetic material, the second levitating magnet being also subjected to a variable magnetic field of equal frequency its mechanical resonance frequency. This achieves a stability configuration in the position of the levitating magnet that is highly sensitive to
30 propiedades magnéticas de la muestra bajo estudio, lo que dota de una precisión en las medidas obtenidas por el dispositivo mayor en al menos dos órdenes de magnitud a la obtenida mediante detectores SQUID comerciales. 30 magnetic properties of the sample under study, which gives a precision in the measurements obtained by the larger device by at least two orders of magnitude to that obtained by commercial SQUID detectors.
La presente invención aporta, pues, una nueva solución al problema técnico de medir cantidades muy pequeñas de materiales 5 magnéticos. Como aplicaciones específicas del dispositivo, cabe citar las The present invention thus provides a new solution to the technical problem of measuring very small quantities of magnetic materials. As specific applications of the device, it is worth mentioning the
siguientes: -Detección de tintas magnéticas utilizadas en billetes de curso legal (sector de seguridad). -Cuantificación de masa magnética en el caso de tests de flujo following: -Detection of magnetic inks used in legal tender (security sector). -Magnetic mass quantification in the case of flow tests
10 lateral basados en nanopartículas magnéticas (los tests de flujo lateral son baratos y sencillos y se utilizan en sector farmacéutico, salud, medio ambiente, etc.). 10 lateral based on magnetic nanoparticles (lateral flow tests are cheap and simple and are used in pharmaceutical, health, environment, etc.).
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- Detección de nanopartículas magnéticas en sistemas de microfluídica. 15 -Caracterización de aceros inoxidables (“no magnéticos”). -Caracterización de láminas delgadas con un espesor nanométrico de materiales magnéticos (por ejemplo, discos duros). Detection of magnetic nanoparticles in microfluidic systems. 15 -Characterization of stainless steels ("non-magnetic"). -Characterization of thin sheets with a nanometric thickness of magnetic materials (for example, hard drives).
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- Dado que el dispositivo es capaz de medir fuerzas muy pequeñas, también se podría aplicar a la medición de fuerzas 20 moleculares, por ejemplo enlaces químicos o de reconocimiento antígenoSince the device is capable of measuring very small forces, it could also be applied to the measurement of molecular forces, for example chemical bonds or antigen recognition
anticuerpo, etc. antibody, etc.
25 La Figura 1 muestra una representación esquemática de una realización del dispositivo de la invención, mostrando su configuración en estado de equilibrio estable del imán levitante. Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device of the invention, showing its configuration in a steady equilibrium state of the levitating magnet.
La Figura 2 muestra una vista en perspectiva de una realización del dispositivo de la invención que comprende una bobina para variar el campo magnético al que está sometido el sistema de imanes, mostrando una configuración del dispositivo en estado de equilibrio estable del imán Figure 2 shows a perspective view of an embodiment of the device of the invention comprising a coil to vary the magnetic field to which the magnet system is subjected, showing a configuration of the device in a stable steady state of the magnet
5 levitante. 5 levitating.
La Figura 3 muestra una medida de la señal de salida del sensor Hall en fase (X) y contrafase (Y), en voltios, en función de la frecuencia (en Hz), obtenida dicha medida a través de una realización del dispositivo de la invención, donde la amplitud de la señal presenta un Figure 3 shows a measurement of the Hall sensor output signal in phase (X) and counter phase (Y), in volts, as a function of frequency (in Hz), said measurement obtained through an embodiment of the device of the invention, where the amplitude of the signal presents a
10 comportamiento de resonancia. La Figura 4 muestra la señal de la medida mostrada en la Figura 3, representada como un módulo (en V) y una fase (en grados), y donde se observa también el comportamiento de resonancia de la señal. La Figura 5 muestra los resultados de sensado para diferentes 10 resonance behavior. Figure 4 shows the signal of the measurement shown in Figure 3, represented as a module (in V) and a phase (in degrees), and where the resonance behavior of the signal is also observed. Figure 5 shows the sensing results for different
15 muestras de material magnético (una lámina de cobalto, una lámina de grafito pirolítico y una lámina de papel de aluminio), en una realización preferente de la invención. Los resultados se representan como la señal eléctrica en módulo (X’) y fase (Y’), medidas en voltios con el sensor Hall, en función del tiempo (en segundos). 15 samples of magnetic material (a cobalt sheet, a pyrolytic graphite sheet and an aluminum foil sheet), in a preferred embodiment of the invention. The results are represented as the electrical signal in module (X ’) and phase (Y’), measured in volts with the Hall sensor, as a function of time (in seconds).
La presente invención se refiere a un dispositivo para el sensado de campos magnéticos basado en el principio de levitación diamagnética. The present invention relates to a device for sensing magnetic fields based on the principle of diamagnetic levitation.
25 Dicho principio comprende la estabilización de la fuerza de atracción comprendida entre dos o más imanes permanentes, mediante la utilización de materiales diamagnéticos (como, por ejemplo, el grafito pirolítico, el bismuto u otros), logrando una configuración de equilibrio estable del juego de fuerzas que actúan entre dichos imanes. Said principle comprises the stabilization of the force of attraction between two or more permanent magnets, by using diamagnetic materials (such as, for example, pyrolytic graphite, bismuth or others), achieving a stable equilibrium configuration of the play of forces acting between said magnets.
30 El principio de levitación diamagnética se puede ilustrar con el siguiente ejemplo: se parte de un imán levitante (entendido el término 30 The principle of diamagnetic levitation can be illustrated by the following example: it is based on a levitating magnet (understood the term
“levitante” como suspendido en el espacio) sometido a la fuerza magnética de otro imán cuya posición se encuentra fijada en el espacio (donde el imán levitante se sitúa, preferentemente, encima o debajo del imán fijo, según la fuerza magnética sea, respectivamente, repulsiva o 5 atractiva). Esta situación, sin añadir elementos adicionales, conduce, en principio, a un estado de equilibrio inestable del imán levitante, en el punto en que la fuerza magnética a la que se encuentra sometido toma el mismo valor que la fuerza de atracción ejercida por la gravedad. Esta configuración de fuerzas, por tanto, al ser inestable, resulta irrealizable en "Levitating" as suspended in space) subjected to the magnetic force of another magnet whose position is fixed in the space (where the levitating magnet is preferably located above or below the fixed magnet, depending on the magnetic force, respectively, repulsive or attractive 5). This situation, without adding additional elements, leads, in principle, to a state of unstable equilibrium of the levitating magnet, at the point where the magnetic force to which it is subjected takes the same value as the force of attraction exerted by gravity . This configuration of forces, therefore, being unstable, is unrealizable in
10 la práctica, ya que cualquier pequeña perturbación desvía al sistema de su posición de equilibrio y el sistema pierde su configuración sin posibilidad de volver a ella. Sin embargo, es posible generar una configuración de equilibrio estable si se añade al sistema un material diamagnético o fuertemente 10 the practice, since any small disturbance diverts the system from its equilibrium position and the system loses its configuration without the possibility of returning to it. However, it is possible to generate a stable equilibrium configuration if a diamagnetic or strongly added material is added to the system.
15 diamagnético, tal como, por ejemplo, el grafito pirolítico o el bismuto. El diamagnetismo es la respuesta magnética más débil que encontramos en los materiales en estado natural. Una forma de cuantificar esta propiedad es, por ejemplo, a través de la susceptibilidad magnética, que en el Sistema Internacional es una magnitud adimensional. 15 diamagnetic, such as, for example, pyrolytic graphite or bismuth. Diamagnetism is the weakest magnetic response we find in natural materials. One way to quantify this property is, for example, through magnetic susceptibility, which in the International System is a dimensionless magnitude.
20 De esta forma, mediante la introducción de un material diamagnético en el juego de fuerzas, la levitación se puede lograr sin necesidad de introducir ningún elemento activo adicional, sin dotar de movimiento giratorio al sistema (tal y como ocurre en dispositivos de levitación como el llamado Levitrón) y sin la necesidad de operar a bajas 20 In this way, by introducing a diamagnetic material into the force set, levitation can be achieved without the need to introduce any additional active element, without providing rotational movement to the system (as occurs in levitation devices such as called Levitrón) and without the need to operate at low
25 temperaturas (como ocurre en el caso de los dispositivos superconductores). Si bien existen, en el estado de la técnica, otros dispositivos de sensado basados en levitación diamagnética (cuyo fin es, por ejemplo, la obtención de balanzas de precisión), ninguno de ellos está destinado a la medición de propiedades magnéticas, como es el caso de 25 temperatures (as in the case of superconducting devices). Although, in the state of the art, there are other sensing devices based on diamagnetic levitation (whose purpose is, for example, obtaining precision balances), none of them is intended for the measurement of magnetic properties, such as case of
30 esta invención. Es por ello que el presente dispositivo está, 30 this invention. That is why the present device is,
preferentemente, no destinado a la medición de la masa, sino al sensado magnético. La Figura 1 del presente documento muestra la configuración de levitación para una realización de la presente invención. Dicha realización preferably, not intended for mass measurement, but for magnetic sensing. Figure 1 of this document shows the levitation configuration for an embodiment of the present invention. Said realization
5 comprende un primer imán (1) situado en una posición fija, un segundo imán (2) levitante, suspendido bajo el efecto del campo magnético del primer imán (1) y, al menos, un elemento diamagnético (3), situado a una distancia fija del primer imán (1), encontrándose dicho elemento diamagnético (3) bajo la acción del campo magnético del primer imán (1) 5 comprises a first magnet (1) located in a fixed position, a second levitating magnet (2), suspended under the effect of the magnetic field of the first magnet (1) and, at least, a diamagnetic element (3), located at a fixed distance of the first magnet (1), said diamagnetic element (3) being under the action of the magnetic field of the first magnet (1)
10 y del segundo imán (2) levitante. La posición del imán levitante (2) se sitúa en el punto de equilibrio de fuerzas a las que dicho imán se ve sometido (preferentemente, una fuerza magnética de atracción hacia el imán fijo, dirigida hacia arriba, y la fuerza gravitatoria, dirigida hacia abajo), y donde dicho punto de equilibrio, que resultaría en principio 10 and of the second levitating magnet (2). The position of the levitating magnet (2) is situated at the point of equilibrium of forces to which said magnet is subjected (preferably, a magnetic force of attraction towards the fixed magnet, directed upwards, and the gravitational force, directed downwards ), and where said breakeven point, which would result in principle
15 inestable, se ve estabilizado por la presencia del elemento diamagnético (3), configurado dicho elemento, preferentemente, como una lámina (de forma que la estabilidad se obtenga en un espacio bidimensional). También es posible, en otras realizaciones de la invención, emplear más de un elemento diamagnético (3), por ejemplo situando dos superficies 15 unstable, it is stabilized by the presence of the diamagnetic element (3), said element configured, preferably, as a sheet (so that the stability is obtained in a two-dimensional space). It is also possible, in other embodiments of the invention, to employ more than one diamagnetic element (3), for example by placing two surfaces
20 diamagnéticas en regiones por encima y por debajo del segundo imán (2) levitante. Ello permite obtener diferentes configuraciones de equilibrio según se requiera en cada tipo de medida. La presencia de, por ejemplo, dos elementos diamagnéticos (3), contribuye a mejorar la estabilización del segundo imán (2) levitante, mediante el ajuste previo de la distancia 20 diamagnetic in regions above and below the second levitating magnet (2). This allows different equilibrium configurations to be obtained as required in each type of measurement. The presence of, for example, two diamagnetic elements (3), contributes to improve the stabilization of the second levitating magnet (2), by pre-adjusting the distance
25 comprendida entre dichos elementos diamagnéticos (3), así como la distancia de los mismos al primer imán fijo (1), de forma que se obtenga un pozo de energía potencial que proporcione una banda de estabilidad suficiente para mantener el segundo imán (2) levitante en equilibrio. 25 between said diamagnetic elements (3), as well as their distance to the first fixed magnet (1), so that a potential energy well is obtained that provides a sufficient stability band to maintain the second magnet (2) Levitating in balance.
El sensado realizable mediante el dispositivo de la invención 30 comprende el uso de una muestra de material magnético (5) que se sitúa a una distancia fija en la proximidad del segundo imán (2) levitante (entendida dicha proximidad como una distancia suficiente para que los campos magnéticos de la muestra (5) y del segundo imán (2) levitante puedan interaccionar entre sí). La presencia del campo magnético de la muestra (5) altera la posición de equilibrio del segundo imán (2) levitante. 5 Mediante la medida de ese desplazamiento, o bien mediante la medida del campo magnético total al que se ve sometido el segundo imán (2) levitante, y su comparación con la posición de equilibrio o el campo magnético del segundo imán (2) levitante medido antes de situar la muestra (5) bajo estudio, es posible derivar la susceptibilidad magnética The sensing achievable by the device of the invention 30 comprises the use of a sample of magnetic material (5) that is located at a fixed distance in the vicinity of the second levitating magnet (2) (said proximity being understood as a sufficient distance for the magnetic fields of the sample (5) and of the second levitating magnet (2) can interact with each other). The presence of the magnetic field of the sample (5) alters the equilibrium position of the second levitating magnet (2). 5 By measuring this displacement, or by measuring the total magnetic field to which the second levitating magnet (2) is subjected, and its comparison with the equilibrium position or the magnetic field of the second levitating magnet (2) measured before placing the sample (5) under study, it is possible to derive the magnetic susceptibility
10 de dicha muestra (5). Para realizar la medida del campo magnético, el dispositivo de la invención comprende uno o más sensores (4) del campo magnético al que se encuentra sometido el primer imán (1), el segundo imán (2) levitante, el elemento diamagnético (3) y/o la muestra de material 10 of said sample (5). To measure the magnetic field, the device of the invention comprises one or more sensors (4) of the magnetic field to which the first magnet (1), the second levitating magnet (2), the diamagnetic element (3) is subjected. and / or the sample of material
15 magnético (5), configurado para convertir dicho campo en una señal eléctrica que puede ser medida, por ejemplo, por un voltímetro (6). Como se ha mencionado anteriormente, mediante la colocación de una muestra magnética (5) a medir en la proximidad del segundo imán (2) levitante, se produce una variación en el campo magnético que afecta a este último, lo 15 magnetic (5), configured to convert said field into an electrical signal that can be measured, for example, by a voltmeter (6). As mentioned above, by placing a magnetic sample (5) to be measured in the vicinity of the second levitating magnet (2), there is a variation in the magnetic field that affects the latter,
20 que conlleva una variación correspondiente en el potencial medido por el voltímetro (6), y que permite estimar las propiedades magnéticas de la muestra, mediante la adecuada calibración del dispositivo. Preferentemente, el sensor (4) de campo magnético es un sensor de efecto Hall. También es posible utilizar, en otra realización de la 20 which implies a corresponding variation in the potential measured by the voltmeter (6), and which allows to estimate the magnetic properties of the sample, by means of the appropriate calibration of the device. Preferably, the magnetic field sensor (4) is a Hall effect sensor. It is also possible to use, in another embodiment of the
25 invención, un sensor óptico de posición, configurado para medir el desplazamiento de la posición de equilibrio del segundo imán (2) levitante en presencia de la muestra de material magnético (5). The invention is an optical position sensor, configured to measure the displacement of the equilibrium position of the second levitating magnet (2) in the presence of the sample of magnetic material (5).
En una realización de la invención (Figura 2), el dispositivo comprende, además de los elementos anteriormente referidos, una 30 bobina (7) que proporciona, mediante un generador de corriente, la capacidad de desplazar el segundo imán (2) levitante de forma controlada, a través de la inducción de un campo magnético en dicha bobina (7) que interacciona con el segundo imán (2) levitante. Ello permite realizar, por ejemplo, medidas del campo magnético haciendo oscilar el segundo imán (2) levitante a una frecuencia igual a su frecuencia de 5 resonancia mecánica (mediante la generación de un campo magnético inducido de dicha frecuencia con la bobina (7)). Cuando el segundo imán In one embodiment of the invention (Figure 2), the device comprises, in addition to the aforementioned elements, a coil (7) that provides, by means of a current generator, the ability to displace the second levitating magnet (2) in a manner controlled, through the induction of a magnetic field in said coil (7) that interacts with the second levitating magnet (2). This allows, for example, measurements of the magnetic field by oscillating the second levitating magnet (2) at a frequency equal to its frequency of mechanical resonance (by generating an induced magnetic field of said frequency with the coil (7)) . When the second magnet
(2) levitante se desplaza de la posición de equilibrio, se produce un comportamiento dinámico similar al que presentaría si estuviera sujeto por un muelle. Es conocido que el comportamiento dinámico de una masa m, 10 sometida a la acción de un muelle de constante k tiene un máximo para la frecuencia F de resonancia, que viene dado por la condición 2π·F=(k/m)1/2. Para observar la resonancia con la bobina (7) se crea un campo magnético de referencia y se varía la frecuencia. La señal del sensor (4) del campo magnético depende, como se ha dicho, de la 15 posición del imán levitante. Esta señal se puede representar en función de una componente en fase (X) y una componente en contrafase (Y) respecto al campo magnético de referencia. En la Figura 3 se muestra una medida obtenida mediante una realización del dispositivo de la invención, donde la amplitud de la señal presenta un comportamiento de (2) Levitant shifts from the equilibrium position, dynamic behavior similar to what would occur if it were held by a spring. It is known that the dynamic behavior of a mass m, 10 subjected to the action of a constant spring k has a maximum for the resonant frequency F, which is given by the condition 2π · F = (k / m) 1/2 . To observe the resonance with the coil (7) a magnetic reference field is created and the frequency is varied. The signal of the sensor (4) of the magnetic field depends, as has been said, on the position of the levitating magnet. This signal can be represented as a function of a phase component (X) and a contraphase component (Y) with respect to the reference magnetic field. A measurement obtained by an embodiment of the device of the invention is shown in Figure 3, where the amplitude of the signal exhibits a behavior of
20 resonancia a una frecuencia F de 7,4 Hz. Es posible, también, representar la señal medida por el voltímetro como un módulo igual a (X2 +Y2)1/2 y una fase igual a arctan(Y/X). El resultado obtenido para una realización de la invención se representa en la Figura 4 (para la misma muestra utilizada en la Figura 3), donde se 20 resonance at a frequency F of 7.4 Hz. It is also possible to represent the signal measured by the voltmeter as a module equal to (X2 + Y2) 1/2 and a phase equal to arctan (Y / X). The result obtained for an embodiment of the invention is represented in Figure 4 (for the same sample used in Figure 3), where
25 observa, de nuevo, cómo la amplitud del movimiento tiene un pico de resonancia muy estrecho. Como ejemplo del funcionamiento del dispositivo de sensado de la presente invención para el sensado de diferentes muestras de material magnético (5) (una lámina de cobalto, una lámina de grafito pirolítico y 25 observes, again, how the amplitude of the movement has a very narrow resonance peak. As an example of the operation of the sensing device of the present invention for the sensing of different samples of magnetic material (5) (a cobalt sheet, a pyrolytic graphite sheet and
30 una lámina de papel de aluminio), se utiliza una frecuencia igual a la de resonancia mecánica del segundo imán (2) levitante sin la presencia de 30 a sheet of aluminum foil), a frequency equal to that of mechanical resonance of the second levitating magnet (2) is used without the presence of
una muestra magnética (5) y se registra la señal eléctrica en módulo (X’) y fase (Y’). En la Figura 5 se muestran los cambios en dicha señal al situar diferentes materiales en el dispositivo. Cabe mencionar también cómo la señal de fase (Y’), en el caso del grafito pirolítico, es negativa, lo que concuerda con la susceptibilidad magnética de dicho material, que también es negativa, mientras que la señal es positiva cuando se acerca una lámina de 10 nm de cobalto (susceptibilidad positiva). La detección de dicha lámina de 10 nm de cobalto, en la representación de resultados de la Figura 5, se realizó para una distancia entre la muestra (5) y el segundo imán (2) levitante de 6 mm. Teniendo en cuenta que la sensibilidad depende fuertemente con la distancia (el campo magnético va como 1/d3, siendo d la distancia), la conclusión es que se trata de un método extremadamente sensible. Trabajando a una distancia de 1 mm, por ejemplo, la sensibilidad sería 100 veces mejor. Estos resultados representan una mejora frente a los dispositivos SQUID estimada en, aproximadamente, 2 órdenes de magnitud, lo que representa una considerable mejora frente al estado de la técnica, que lleva consigo, además, una importante simplificación en las exigencias técnicas para la realización del sensado (no comprende condiciones criogénicas ni de calentamiento de átomos de sensado), con la reducción de costes que, en consecuencia, ello implica. a magnetic sample (5) and the electrical signal is recorded in module (X ’) and phase (Y’). Figure 5 shows the changes in said signal by placing different materials in the device. It is also worth mentioning how the phase signal (Y '), in the case of pyrolytic graphite, is negative, which is consistent with the magnetic susceptibility of said material, which is also negative, while the signal is positive when a sheet approaches 10 nm of cobalt (positive susceptibility). The detection of said 10 nm cobalt sheet, in the representation of results of Figure 5, was performed for a distance between the sample (5) and the second levitating magnet (2) of 6 mm. Taking into account that the sensitivity depends strongly on the distance (the magnetic field goes like 1 / d3, d being the distance), the conclusion is that it is an extremely sensitive method. Working at a distance of 1 mm, for example, the sensitivity would be 100 times better. These results represent an improvement over SQUID devices estimated at approximately 2 orders of magnitude, which represents a considerable improvement over the state of the art, which also entails a significant simplification in the technical requirements for the realization of the sensing (does not include cryogenic conditions or heating of sensing atoms), with the reduction of costs that, consequently, implies.
Para un correcto sensado mediante el dispositivo de la invención, la distancia comprendida entre la muestra de material magnético (5) bajo estudio y el segundo imán (2) levitante está, preferentemente, comprendida entre 1 y 10 mm. Para distancias mayores, la intensidad del campo magnético de interacción entre ambas se reduce notablemente, con la consiguiente pérdida de sensibilidad en el sensado. For correct sensing by the device of the invention, the distance between the sample of magnetic material (5) under study and the second levitating magnet (2) is preferably between 1 and 10 mm. For greater distances, the intensity of the magnetic field of interaction between the two is significantly reduced, with the consequent loss of sensitivity in the sensing.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método de caracterización de materiales magnéticos basado en el dispositivo anteriormente descrito. Mediante una configuración de equilibro del segundo imán (2) levitante, es posible aproximar una muestra magnética al mismo, produciéndose un desplazamiento de su posición de equilibrio. Mediante un sensor de desplazamiento o del campo magnético (por ejemplo un sensor Hall), es posible medir la variación en la configuración de equilibrio del dispositivo y derivar, mediante una adecuada calibración Another aspect of the present invention relates to a method of characterizing magnetic materials based on the device described above. By means of a balancing configuration of the second levitating magnet (2), it is possible to approximate a magnetic sample thereto, resulting in a shift in its equilibrium position. By means of a displacement or magnetic field sensor (for example a Hall sensor), it is possible to measure the variation in the equilibrium configuration of the device and derive, by means of an appropriate calibration
5 previa, las propiedades magnéticas de la muestra utilizada. 5 previous, the magnetic properties of the sample used.
En una realización del método de la invención, se hace oscilar el segundo imán (2) levitante, por medio de un campo magnético inducido en una bobina (7), a una frecuencia igual a la frecuencia de resonancia mecánica (mediante la generación de un campo magnético inducido de In an embodiment of the method of the invention, the second levitating magnet (2) is oscillated, by means of a magnetic field induced in a coil (7), at a frequency equal to the mechanical resonance frequency (by generating a induced magnetic field of
10 dicha frecuencia con la bobina (7)). Cuando el segundo imán (2) levitante se desplaza de la posición de equilibrio, como consecuencia de la colocación de una muestra de material magnético (5) en el dispositivo, se produce una variación en la señal detectada por el sensor (4) de campo magnético o el sensor de posición del segundo imán (2) levitante. El 10 said frequency with the coil (7)). When the second levitating magnet (2) moves from the equilibrium position, as a result of the placement of a sample of magnetic material (5) in the device, there is a variation in the signal detected by the field sensor (4) magnetic or the position sensor of the second levitating magnet (2). He
15 método de medida de la invención comprende la comparación de una señal de referencia (sin la presencia de la muestra magnética) con la señal en presencia de la muestra, lo que permite derivar las propiedades magnéticas (por ejemplo, la susceptibilidad magnética) de la misma. The method of measurement of the invention comprises comparing a reference signal (without the presence of the magnetic sample) with the signal in the presence of the sample, which allows to derive the magnetic properties (for example, the magnetic susceptibility) of the same.
Claims (12)
- --
- al menos, un elemento diamagnético (3), situado a una distancia fija del primer imán (1), encontrándose dicho elemento diamagnético (3) bajo at least one diamagnetic element (3), located at a fixed distance from the first magnet (1), said diamagnetic element (3) being low
- --
- al menos, un sensor (4) de la posición del segundo imán (2) at least one sensor (4) of the position of the second magnet (2)
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