一種弱磁性檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種檢測樣品磁性分布的裝置。
【背景技術】
[0002]目前對小樣品磁成像的方法有很多，例如磁光技術、小角度中子散射。掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、磁力顯微鏡、超導量子干涉儀顯微鏡等儀器廣泛用于檢測樣品。這些儀器在空間分辨率和磁場靈敏度方面存在差異，各有利弊。超導量子干涉儀顯微鏡雖然空間分辨率不是最高的，但是它的磁場靈敏度比其他方法要高很多，所以超導量子干涉儀顯微鏡是目前為止探測微米尺度結構中微弱磁場最靈敏的儀器，可以檢測小于10 10T的磁場。
[0003]上世紀IBM公司就已經利用超導量子干涉儀傳感器搭建了掃描超導量子干涉儀顯微鏡，可以對小樣品進行掃描，隨后又有很多不同類型的掃描超導量子干涉儀顯微鏡研制成功。現有的掃描超導量子干涉儀顯微鏡的傳感器分為高溫超導量子干涉儀和低溫超導量子干涉儀，類型上分為冷樣品與熱樣品兩種。冷樣品類型的掃描超導量子干涉儀顯微鏡可以獲得高的空間分辨率，但在使用上也存在一些限制，例如樣品更換，樣品要求能耐低溫等等。熱樣品類型的掃描超導量子干涉儀顯微鏡犧牲了空間分辨率，但是也有優點:對被測樣品幾乎沒有限制，而且方便更換樣品，因此通常用于無損檢測和生物樣品檢測中。
[0004]環境中存在有很多其他的電磁干擾，這些都會給測量帶來影響，最常見的就是地磁場，強度在0.5-0.6高斯，還有工頻交流電產生的磁場干擾。現有的屏蔽噪聲的方法有:屏蔽室、使用梯度線圈、增加屏蔽罩等。屏蔽室由于結構中存在接縫、打孔等，可能增加屏蔽室的磁阻，導致屏蔽效果有限，梯度線圈由于工藝的問題，線圈大小存在差異，中心軸不一致，也存在噪聲干擾。所以對于弱磁檢測設備，需要有更好的噪聲解決方案。
[0005]中國專利201010182050.8提出的一種生物內源磁顆粒檢測裝置，描述了一種使用超導量子干涉儀來檢測生物標本的裝置，該專利使用了傳統的屏蔽室和梯度線圈兩種方式來減少環境噪聲的干擾，但屏蔽室由于密封等問題，屏蔽效果有限，梯度線圈由于工藝水平，也會有噪聲干擾。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服已有技術的不足，提出一種弱磁性檢測裝置。本發明可以有效濾除環境磁場噪聲的影響，對樣品微弱磁性信號進行檢測。
[0007]本發明將超導量子干涉儀傳感器和高精度三維移動平臺組合成一種掃描系統，并在垂直方向加入振動單元，給被測樣品施加一個頻率和幅度雙可調的振動，使得被測樣品的有效信號以設定的頻率進行變化，通過頻域分析等方法，從噪聲中有效提取樣品的磁性值，并繪制被測樣品的二維磁性分布圖。
[0008]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0009]本發明弱磁性檢測裝置主要包括:低溫直流超導量子干涉儀單元、振動單元、移動平臺單元、數據處理系統和屏蔽室。
[0010]所述的低溫直流超導量子干涉儀單元、振動單元和移動平臺單元置于屏蔽室內，屏蔽室屏蔽地磁場對系統的影響。數據處理系統位于屏蔽室外。
[0011]所述的三維移動平臺安裝在檢測裝置底部的大理石平臺上，位于大理石平臺的正中間。三維移動平臺負責移動樣品。所述的振動單元安裝在三維移動平臺的Z軸上，對樣品產生頻率和幅度可調的振動。低溫直流超導量子干涉儀單元通過其固定支架垂直安裝在三維移動平臺的正上方，檢測采集樣品的弱磁信號。數據處理系統通過數據線分別與低溫直流超導量子干涉儀單元、振動單元和三維移動平臺連接，對三維移動平臺和振動單元進行控制，對低溫直流超導量子干涉儀單元采集到的信號數據進行處理分析，繪制樣品的二維磁性分布圖。
[0012]所述的低溫直流超導量子干涉儀單元包括無磁桌、固定支架、低溫無磁杜瓦、低溫直流超導量子干涉儀、梯度線圈和低溫數據線。其中無磁桌的桌腿采用無磁材料鋁制作，桌面采用打磨過的環氧材料制作，桌面中心開有一個圓孔，樣品支架穿過此圓孔。桌面水平固定在鋁桌腿上。固定支架也采用鋁制作，固定在無磁桌面上。低溫無磁杜瓦垂直安裝在固定支架的中心，垂直于底部的三維移動平臺。低溫直流超導量子干涉儀、梯度線圈和低溫數據線置于低溫無磁杜瓦內部。梯度線圈采用的是一階梯度計形式，可以有效抑制遠場的噪聲影響，并且制作和安裝更容易。梯度線圈通過鈮鈦螺釘與低溫超導量子干涉儀的輸入線圈連接。低溫直流超導量子干涉儀通過低溫數據線與低溫無磁杜瓦外的數據線連接。
[0013]移動平臺單元包括大理石底座、三維移動平臺、電機控制器。三維移動平臺安裝在大理石底座上表面的中心，通過銅螺釘固定，防止在移動時在大理石底座上發生位移。位于XYZ三個軸向方向的直線電機驅動樣品進行三維移動。電機控制器實時控制三個直線電機。為了防止對測量的干擾，電機控制器放置在屏蔽間外，通過三根控制線分別和三個直線電機相連。
[0014]振動單元包括壓電陶瓷片、DDS芯片和樣品支架。振動單元固定在三維移動平臺的Z軸上，封裝在一個鋁盒中。DDS芯片的一端通過數據線和數據處理系統相連，另一端和壓電陶瓷片連接，DDS芯片產生頻率和幅度可調的正弦波，用來驅動壓電陶瓷片產生振動。樣品支架包括支桿和樣品托盤，使用無磁材料制作，樣品托盤通過支桿固定在壓電陶瓷片上，壓電陶瓷片帶動樣品托盤振動。封裝有所述振動單元的鋁盒上表面開有孔，低溫直流超導量子干涉儀單元的無磁桌桌面的中心位置開有圓孔，樣品托盤穿出無磁桌圓孔和鋁盒上表面的開孔，正對低溫直流超導量子干涉儀單元。
[0015]所述的屏蔽室主要實現對地磁場和背景噪聲的屏蔽功能。屏蔽室的容積足夠容納整套系統，并能滿足至少一人進行樣品更換等實驗操作的條件。屏蔽室材料采用三層高導電的鎳鉻合金板，使屏蔽室內安裝系統處的靜磁場磁感應強度滿足指標要求。為了防止對信號采集引入噪聲影響，將電機控制器和數據處理系統放置在屏蔽室外，其他部件都放置在屏蔽室中靜磁場最小的位置。
[0016]所述的低溫直流超導量子干涉儀單元的梯度接收線圈為一階梯度計形式，在藍寶石柱上由兩個串聯的相反繞向的多匝線圈構成。使用梯度線圈可以有效濾除遠磁場的噪聲影響，對于近磁場無影響。梯度線圈和低溫直流超導量子干涉儀傳感器的輸入線圈相連。
[0017]所述的振動單元是本發明區別于現有掃描超導量子干涉儀顯微鏡的重要特征。振動單元的各組件封裝在一個鋁盒中，通過銅螺釘固定在三維移動平臺的Z軸上。振動單元由DDS芯片、壓電陶瓷片和樣品支架組成。數據采集卡的數字I/O 口模擬SPI總線與DDS芯片通信，對DDS芯片進行編程控制從而實現頻率和振幅雙可調的標準正弦信號的輸出。DDS芯片的輸出端接到壓電陶瓷片上，DDS芯片產生正弦信號驅動壓電陶瓷片在垂直方向平穩振動。輸出的正弦信號頻率穩定、精確，且對壓電陶瓷片不會造成過大的沖擊。為了減小振動單元產生的電磁干擾對梯度接收線圈的干擾，本發明樣品支架利用無磁的支桿和圓形樣品托盤將振動單元與樣品分離，采用玻璃鋼制成支桿和樣品托盤，支桿的一端支撐在圓形樣品托盤的中心，支桿的另一端垂直安裝在壓電陶瓷片上。樣品托盤水平安裝在支桿上方。
[0018]所述的移動平臺單元主要完成對樣品精確的三維移動。數據處理系統設定移動路徑，向電機控制器發送命令，驅動三維移動平臺移動，實現樣品的移動。三維移動平臺在XYZ三個軸向的移動精度達到25um，重復位移精度達到了 15um，可以實現對小樣品的磁性分布進行測量。
[0019]所述的數據處理系統負責移動平臺單元的路徑規劃、振動單元的參數設置、超導量子干涉儀數據的收集與處理。最終對數據進行頻域分析濾除噪聲，反變換并繪出樣品的二維磁性分布圖。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明弱磁性檢測裝置的側視圖；
[0021]圖2是本發明弱磁性檢測裝置的俯視圖；
[0022]圖中磁屏蔽室，2低溫無磁杜瓦，3低溫直流超導量子干涉儀，4固定支架，5梯度線圈，6樣品支架，7無磁桌，8振動單元，9三維移動平臺，10數據處理系統，11大理石底座。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步說明:
[0024]本發明主要包括屏蔽室1、低溫直流超導量子干涉儀單元、振動單元8、移動平臺單元和數據處理系統10。
[0025]所述的低溫直流超導量子干涉儀單元、振動單元8和移動平臺單元置于屏蔽室I內，屏蔽室I對地磁場進行屏蔽。數據處理系統10放置在屏蔽室I之外。三維移動平臺9安裝在大理石底座11上表面的中心位置。振動單元8安裝在三維移動平臺9的Z軸上。低溫直流超導量子干涉儀單元通過其固定支架4垂直安裝在三維移動平臺的正上方，檢測采集樣品的弱磁信號。數據處理系統10通過數據線與低溫直流超導量子干涉儀單元、振動單元8和三維移動平臺9連接，對三維移動平臺9和振動單元8進行控制，完成對采集到的數據進行處理分析，得到二維分布圖。
[0026]所述的低溫直流