專利名稱：交變強磁場儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種將電流轉換為磁場的電-磁轉換裝置，尤其是能夠在毫米尺度氣隙空間中 產生強磁場的交變強磁場儀。
背景技術：
磁場在現代科學技術中扮演著十分重要的角色。直流強磁場在核磁共振儀，高能環型電 子加速器，磁懸浮列車和科學研究中得到廣泛應用。目前使用超導線圈己能夠在厘米尺度空 間產生數十特斯拉的直流強磁場。另一方面，高頻交變磁場在信息磁存儲器件中得到廣泛應 用，如計算機磁盤。然而，磁頭產生的交變強磁場只存在于離磁極面數十微米尺度的微空間 中。隨著磁存儲密度的不斷提高，傳統磁存儲薄膜材料正在趨向它的超順磁極限存儲密度。 為了進一歩提高磁存儲密度，需要開發具有高矯頑力的新型磁存儲薄膜材料。這就需要研究 高矯頑力新型磁存儲薄材料的磁滯、高頻損耗和磁化翻轉動力學等磁學性能，因而需要交變 強磁場。為了便于實驗樣品的方便設置和實驗測試，要求交變強磁場存在于宏觀尺度(如毫 米或厘米)空間中，而不是象磁頭磁場那樣僅存在于微米尺度空間中。然而，目甜國際上尚 未見這類設備的生產、銷售。目前，為了開展磁性材料的動態磁學性能研究，只能采用微制 做技術，將磁性薄膜樣品和磁場發生器集成微制做在數十至數百微米尺度的空間中。這種微 結構中磁場發生器通常為導線或單匝線圈，所以，也只能產生2000奧斯特(0e)以下的磁 場強度。這種微結構中磁場發生器沒有制作成象計算機磁盤中使用的那種多匝微線圈結構， 一是因為多匝微線圈制作技術僅被少數磁頭制做公司所掌握，并需要昂貴的制造設備。二是 從研究成本考慮。如果每個樣品都微制做成含多匝微線圈的磁場發生器，那么單個實驗樣品 的價格就非常高，再考慮實驗樣品的多樣性，所以，總的研究、開發成本太高。由于目前的 微制做中磁場發生器產生的交變磁場強度太弱，這極大地限制了具有高矯頑力(>3000 0e) 的新型高密度磁性材料的動態磁學性能的研究。所以，國際上對高密度磁性材料的磁學性能 研究主要集中在靜態磁學性能方面的研究。這非常不利于發展高速磁存儲器件。這可能正是 磁存儲密度進步速度遠快于磁存儲速度進歩的原因之一。為了便于開展新型高矯頑力磁性薄 膜材料的動態磁學性能研究，推動高密度高速度磁存儲器件的發展，在毫米尺度空間中產生 交變強磁場是必要的。
發明內容
在毫米尺度空間中產生交變強磁場的主要障礙在于產生磁場的線圈的電感大，用傳統的 交變脈沖電流直接驅動時，感抗大，需要非常高的電壓脈沖驅動才能產生大電流，進而產生 交變強磁場。本發明的關鍵技術在于采用LC (L表示電感，C表示電容)諧振技術消除了線 圈的大感抗，線圈工作在阻抗非常小的純電阻狀態。并且采用具有高飽和磁感應強度Bs、高 頻響應的多品或非晶軟磁薄膜制成的鐵芯進一步增強磁場，所以能夠在毫米尺度空間中產生
交變3雖磁場。
l亥儀器工作原理如圖1所示，由四部分組成磁場發生器(2)、交變電流源(1)、正/ 反向峰值比調節器(3)和可調電容器(4)。磁場發生器與正/反向峰值比調節器并連，再與 可調電容器串聯，組成LC串聯諧振回路，由交變電流源驅動。組成該儀器的四部分的結構和 功能說明如下
(1〕磁場發生器采用具有高飽和磁感應強度Bs、高頻響應的非晶或多晶軟磁薄膜材料制
成的環形鐵芯，這種結構鐵芯具有近百kHz的響應頻率。將這種鐵芯切割成圖1和圖2所示 的兩禾中結構，并纏繞漆包銅線圈，即構成垂直(圖2)和縱向(圖3)磁場發生器。磁極切割 成錐形是為了聚焦鐵芯中的磁場到氣隙中，增強氣隙中的磁場。
(2〕交變電流源產生峰值幅度可調的交變電流，驅動由磁場發生器線圈和附加電容器組成 的LC串聯負載。此交變電流源的關鍵性能在于具有掃頻、鎖頻功能，搜索到LC的諧振頻率， 然后4貞定在此諧振頻率上振蕩。由于在諧振頻率工作時，LC串聯負載是純電阻型的，只有線 圈的內阻，而內阻又是很小的，所以，反饋電壓幅度較小，電流源為低壓大電流型。此外， 交變電流源還具有外同步觸發功能，能夠實現與觸發脈沖同頻率振蕩。
(3〕正/反向峰值比調節器實現正/反向磁場峰值比調節，可以通過控制流過線圈的正/反 向Ffei荒的峰值比來實現，因為磁場正比于電流。由于交變電流源是電流驅動型，所以，通過 給線圈負載引入單向導通的并聯分流電路，則可以實現流過線圈的正/反向電流的峰值比調 節。！H/反向峰值比調節器由一個可調電阻和一只二極管串聯組成。此正/反向峰值比調節器 與磁:t湯發生器線圈并聯。由于二極管的單向導通性能，所以，可調電阻只在二極管導通的半 周內工作，分流通過線圈的電流，減小此半周內線圈振蕩電流的峰值，而不影響相反極性半 周內的線圈中的振蕩電流峰值。從而實現了正/反向電流或磁場峰值比的調節。
(4)可調電容器其功能在于調節LC串聯回路的諧振頻率。
圖1交變強磁場儀電連接圖 圖2垂直磁場發生器鐵芯結構 圖3縱向磁場發生器鐵芯結構
圖4垂直磁場發生器產生的磁場強度隨驅動電流變化的實驗標度結果 圖5垂直磁場發生器線圏中的交變諧振電流實驗測量結果
圖1中，1為交變電流源；2為磁場發生器；3為正/反向峰值比調節器；4為可調電容器； 2與3并聯，再與4串聯，組成LC串聯諧振回路，并由1驅動。調節4可調節交變磁場的振 蕩頻率。2的結構有兩種，如圖2和圖3所示。交變電流源具有掃頻、鎖頻和外同歩觸發功 能。3由可調電阻和二極管串聯組成。
圖2 (a)為垂直磁場發生器的鐵芯結構的外形輪廓圖。W和H分別為鐵芯環的橫截面的長和寬 尺寸；S為氣隙的寬度尺寸；a和b分別為錐形磁極端面長和寬尺寸；h為錐形磁極的高度 尺寸。小為通孔直徑尺寸。 一個磁極切割成縮小的錐形，能夠增強氣隙中的磁場。鐵芯內部面 積為W*H截面上的磁通通過錐形磁極聚焦到面積為a*b的小磁極端面上，然后流入氣隙中， 從而增強了氣隙中的磁場強度。當實驗樣品置于氣隙中，并緊貼在此錐形磁極端面上時，磁 場垂直穿過樣品面，所以，稱為垂直磁場發生器。為了便于測量樣品的磁學性質，在氣隙的 另一個W*H磁極面上與a*b端面相對位置處鉆一個直徑為小的通孔，光線或探頭通過此孔能夠 到達樣品表面，對樣品磁學參量進行測量。
圖2(b)為垂直磁場發生器的立體圖。整個鐵芯采用具有高飽和磁感應強度Bs、高頻響應 的非晶或多晶軟磁薄膜材料制成的環形鐵芯切割而成。
圖3 (a)為縱向磁場發生器的外形輪廓圖。W和H分別為鐵芯環的橫截面的長和寬尺寸； S為氣隙的寬度尺寸；a和b分別為錐形磁極端面長和寬尺寸；h為錐形磁極的高度尺寸。兩 個磁極均切割成縮小的錐形，能夠增強氣隙中的磁場。鐵芯內部面積為W州截面上的磁通通 過錐形磁極聚焦到面積為a*b的小磁極端面上，然后流入氣隙中，從而增強了氣隙中的磁場 強度。當實驗樣品置于氣隙中，表面與兩個磁極面垂直時，磁場平行于樣品表面，所以，稱 為縱向磁場發生器。光線或探頭能夠通過氣隙直接到達樣品表面，對樣品磁學參量進行測量。
圖3 (b)為縱向磁場發生器的立體圖。整個鐵芯采用具有高飽和磁感應強度Bs、高頻響 應的非晶或多晶軟磁薄膜材料制成的環形鐵芯切割而成。
圖4為一個具體實施例-垂直磁場發生器產生的磁場強度隨驅動電流變化的實驗標度結 果。垂直磁場發生器結構如圖2，具有實施參數為W=H=30mm， a=4mm， b=10mm， h=20 ， 5=1. 5mra， —7mm。橫坐標為氣隙中的磁場強度H (單位奧斯特，0e)，縱坐標為線圈中的電流(單位安 培，A)。
圖5為實施例中LC串聯諧振在1. 14kHz時，兩個不同峰值電流的振蕩波形圖。虛線表示 正向電流峰值為32A，正/反向峰值電流比為l.l的振蕩電流波形圖。實線表示正向電流峰值 20A，正/反向峰值電流比為1.1的振蕩電流波形圖。橫坐標是振蕩電流(單位安培，A)，縱 坐標是時間(單位微秒，ps)。
具體實施例方式
本發明已具體實施，研制出一臺樣機。磁場發生器選用多晶軟磁薄膜材料制成的環形鐵 芯，按圖2所示結構切割成垂直磁場發生器。這種鐵芯具有100kHz以上的響應頻率，低的高 頻磁損耗，飽和磁感應強度Bs達1.4T。具體的切割尺寸為氣隙^1.5mra，鐵芯橫截面尺寸為 W=H=30mm，錐形磁極端面尺寸a=4mm， b=10 mm，錐形磁極高度h=20mm，另一磁極上的通孔直 徑^7mm。在切割成型的鐵芯上繞漆包銅線圈。
選用通用電子元器件實現了 "交變電流源"和"正/反向峰值比調節器"。交變電流源的 最大峰值電流可達50A，振蕩頻率可在l-5kHz范圍調節。具有自激振蕩和外同步觸發功能。 正/反向峰值比調節器可實現正/反向峰值電流比在1-2范圍調節。
將垂直磁場發生器、交變電流源、正/反向峰值比調節器和可調電容器按圖l所示的原理 圖連接，即實現交變強磁場儀。通過調節串聯電容的大小，可以調節交變諧振頻率，實現交 變磁場的振蕩頻率調節；通過調節正/反向峰值比調節器中電阻大小，可以調節磁場發生器產
生的交變強磁場的正/反向峰值比。
圖4所示為磁場發生器氣隙中磁場強度隨驅動電流變化的實驗標度結果。顯示當驅動電 流在50A以下時，磁場隨驅動電流是線性變化的，最大線性變化磁場強度近8000 0e。當驅 動電流大于50A時，氣隙中的磁場是亞線性增加的，趨于飽和，飽和磁場強度近10000 Oe。
圖5所示為交變強磁場儀諧振在1. 14kHz時，實驗測量到的磁場發生器線圈中兩個正向 振蕩電流峰值分別為32A和20A時的交變振蕩電流波形圖，具有正/反向峰值電流比1. 1。
上述實施例實驗測試結果表明本發明己實現磁場強度近8000 0e、交變振蕩頻率千余赫 茲的'交變強磁場。這是目前報道的在毫米尺度空間中產生的最強交變強磁場，在高矯頑力磁 介質的動態磁學性能研究方面具有重要應用價值。
權利要求
1、一種交變強磁場儀，由磁場發生器、交變電流源、正/反向峰值比調節器和可調電容器四部分組成；它們的連接關系為磁場發生器與正/反向峰值比例調節器并聯，再與可調電容器串聯，組成LC串聯回路，由交變電流源驅動；其特征是交變電流源能夠搜索到LC串聯回路的諧振頻率，并鎖定在此諧振頻率上振蕩，感抗和容抗相互抵消，僅有磁場發生器線圈內阻小負載，因而能夠在線圈中產生強的交變振蕩電流，在磁場發生器氣隙中形成交變強磁場。
2、 權利要求1中所述的交變強磁場儀，其特征是磁場發生器的環形鐵芯由具有高飽和磁 感應強度Bs和高頻響應特性的多晶(包括納米晶)或非晶軟磁薄膜材料制成，此為產生交變 強磁場的必要條件。
3、 權利要求1中所述的交變強磁場儀，其特征是正/反向峰值比調節器可以去除，產生 正/反向峰值磁場強度相同的交變強磁場。
4、 權利要求1中所述的交變強磁場儀，其特征是交變電流源具有外同步觸發功能，產生 與外觸發信號同頻率的交變強磁場。
全文摘要
一種能夠將電流轉化為磁場的交變強磁場儀。它由磁場發生器、交變電流源、正/反向峰值比調節器和可調電容器四部分，按摘要附圖1所示連接組成LC串聯回路。當該儀器工作在LC串聯諧振頻率時，線圈感抗和電容器的容抗相互抵消，負載只有磁場發生器線圈的小內阻，能夠使用低壓大電流源驅動。磁場發生器有垂直和縱向磁場發生器兩種結構。已實施垂直磁場發生器結構，能夠在毫米尺度氣隙空間中產生峰值近萬奧斯特(Oe)、變化頻率達千余赫茲、正/反向磁場峰值比可調節的交變強磁場。交變電流源具有掃頻功能，搜索LC串聯回路的諧振頻率，并鎖定在諧振頻率上振蕩，同時，還具有外同步觸發功能，產生與外觸發信號同頻率的交變強磁場。
文檔編號H01F7/00GK101183593SQ20071003086
公開日2008年5月21日 申請日期2007年10月16日 優先權日2007年10月16日
發明者劉曉東, 賴天樹, 高瑞鑫 申請人:中山大學