專利名稱：一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置，屬于磁流體微觀結構的研究領域。
背景技術：
磁流體是一種新型的功能性材料，研究始于二十世紀六十年代，所涉及的比較成熟的應用有真空密封、潤滑、浮選、研磨(拋光)、阻尼器等，深入到電子、能源、航空航天、國防軍工、冶金機械、化工環(huán)保、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生等方面的領域。流體是磁性微粒(約為IOnm)借助表面活性劑混合并均勻地彌散在基液中而形成的穩(wěn)定的膠體溶液。其中磁性微粒有 Fe札/Y-FeiOs等，表面活
性劑有油酸、丁二酸、氟醚酸等，基液有水、煤油、甲苯等。磁流體既具有固體磁性顆粒的磁性，又具有流體的流動性，這使得磁流體具有許多獨特的特性。同樣在光學方面具有許多的特性，如雙折射效應，可調(diào)諧透射率，磁致二色性，可調(diào)諧折射率、熱透鏡效應等等，這些特性與磁流體的微觀結構是緊密相連。因此，需要亟待解決對磁流體的微觀結構與磁場關系的動態(tài)研究的問題?，F(xiàn)有對磁流體的研究當中有使用了電子顯微鏡進行了觀察研究，由于電子顯微鏡能以納米級尺度進行觀察，也就能對磁流體納米顆粒進行觀察與研究(文獻1.LaiQiong Yuj Lu Ji Zheng, Ji Xiao Yang.〃Study of preparation and properties onmagnetization and stability for ferromagnetic fluids.〃 Materials Chemistry andPhysics 2000 ￠6))。但是由于使用電子顯微鏡研究樣本的時候，需要對樣本進行各種處理，如透射式電子顯微鏡，通常使用薄切片法和冷凍蝕刻法制作厚度為50nm到IOOnm之間的薄片；掃描電子顯微鏡則需對樣本進行固定、脫水處理，再噴涂上一層重金屬微粒。這些處理都對磁流體的本身 結構進行了破壞，實際上只能觀察到脫水后的磁流體的納米顆粒樣本，也就只能研究磁流體納米顆粒的外觀，而無法滿足在磁場作用下的磁流體的微觀結構的動態(tài)研究的要求。雖然掃描隧道顯微鏡和低溫電子顯微鏡不需要對磁流體進行特殊處理，實現(xiàn)對磁流體的粒子研究，但是還不能實現(xiàn)動態(tài)觀察，這是受到了其結構和測量原理的限制，因此在研究磁流體的微觀結構過程中，在對磁流體施加一定規(guī)律的磁場時，很難同時從顯微鏡中動態(tài)觀察，并且成本昂貴。在磁流體的微觀結構與磁場關系的動態(tài)研究過程當中，洪姮娥等使用了光學顯微鏡對磁流體進行動態(tài)的觀察，一定程度上犧牲了對磁流體細節(jié)研究(文獻2.Horng, H.E., C.-Y.Hong, et al."Novel properties and applications in magnetic fluids.〃Journal of Physics and Chemistry of Solids 2001(62))。這在一定程度受限于光學顯微鏡的理論極限分辨率0.2微米，而這一分辨率是常用的磁流體的納米顆粒的直徑的20倍。因此，在磁流體的納米顆粒沒有發(fā)生弱絮凝的時候，我們是很難通過光學顯微鏡對納米級的磁性顆粒進行觀察。這種方法在一定程度上犧牲了分辨率，同時能很好的對磁流體的微觀結構的進行動態(tài)研究，而在成本上也是相對較低的。上述介紹的系統(tǒng)仍然存在著不足，其磁流體的樣本操作很大程度受限于光學顯微鏡的狹窄的操作空間，不利于操作且磁場的施加難度大，難以保證磁場具有很好的均勻度，同時磁場強度相對較小，只能達到3000e，由于無法保證磁場周圍空間的溫度恒定不變，因此不適于長時間的工作。目前在對磁流體的微觀結構與磁場關系的動態(tài)研究的實驗裝置中，尚存在著一定的缺陷，都是以光學顯微鏡進行觀察，磁場強度相對較小，長時間工作產(chǎn)生大量的熱，影響周圍環(huán)境的溫度，不利于磁流體的微觀結構與磁場關系的實驗研究。因此，本發(fā)明設計了一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置，能動態(tài)的對磁流體的微觀結構與磁場關系進行研究，可以產(chǎn)生兩種方向的磁場，長時間的穩(wěn)定的提供較大的磁場而不影響周圍環(huán)境的溫度，以提高是實驗的可靠性和實驗結果的準確性，保證實驗的科學性。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有研究磁流體的微觀結構與磁場關系的實驗裝置存在的一些問題，在成本相對較低的情況下，提出了一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置，能夠動態(tài)的觀察磁流體的在磁場作用下的微觀結構變化及其所引起的光學特性的變化，能提供垂直和平行于觀察樣本的兩種磁場，并且能長時間提供較大的磁場，而不影響周圍環(huán)境的穩(wěn)定，保證在樣本觀察空間中溫度的相對恒定。(二)技術方案
為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置，該實驗裝置由視頻光學顯微鏡1、雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2、底光源支架
3、計算機4、可編程電源5、光源6、水冷液循環(huán)散熱裝置7、變壓器油循環(huán)散熱裝置8、高斯計9組成；雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置是由內(nèi)筒23，線圈24，左密封塊21a，右密封塊21b，以及上擋板20a和下?lián)醢?0b組成，其特征在于:內(nèi)筒23中有內(nèi)循環(huán)空間27 ;線圈24，左密封塊21a，右密封塊21b之間形成外循環(huán)空間26 ;兩側分別由上擋板20a和下?lián)醢?0b密封；內(nèi)循環(huán)水冷液從入口 25a進入，在內(nèi)循環(huán)空間內(nèi)高速流動，并由出口 25b流出，經(jīng)水冷液循環(huán)散熱裝置7進行散熱；同時外循環(huán)的變壓器油是由入口 29a流入，并由出口 29b流出，經(jīng)變壓器油循環(huán)散熱裝置8進行散熱；底光源支架3上有觀察托盤30，承載板31，支撐筒32，承載板固定螺栓33，軟光纖固定管34，鎖緊螺母35，支撐平板36，軟光纖口 37組成；光源6通過軟光纖12將光路導入通過底光源支架3中支撐筒32下方的軟光纖口 37插進軟光纖固定管34中并用螺栓固定，適當調(diào)節(jié)軟光纖12的出射端面與觀察托盤30的距離以利于觀察；底光源支架3中的左、右兩個承載板31上分別放置一個雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2，調(diào)整承載板31使兩個雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2達到兩裝置間的中心間距為其線圈直徑的一半，以達到平行于磁流體樣本的勻強磁場的產(chǎn)生，然后使用承載板固定螺栓33固定好承載板31 ;通過高斯計9可以實時的了解磁場的大??；使用視頻光學顯微鏡I移動到底光源支架3的觀察托盤30的正上方后調(diào)整焦距即可實現(xiàn)觀察；同樣利用底光源支架3和一個雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2可以產(chǎn)生一個垂直于磁流體樣本的磁場，可實現(xiàn)對多種磁場方向下磁流體的微觀結構的研究。上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的視頻光學顯微鏡是由CCD攝像頭、高倍單筒顯微鏡、顯微鏡支架組成，其特征在于:高倍單筒顯微鏡的物鏡為IOOX平場消色差物鏡，齊焦距離為95mm，工作距離為12.5mm，焦距長為2mm。上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的顯微鏡支架，其特征在于:顯微鏡支架的移動行程可達253_，以提供足夠的行程來設置底光源支架3和雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2。上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2，其特征在于:內(nèi)部的線圈24均采用耐高溫漆包線繞制，耐溫180°C，線徑1.4mm,繞制750圈；其循環(huán)空間的入口、出口方向與環(huán)形空間相切，冷卻液在其中螺旋狀單向流動；其中循環(huán)空間包括內(nèi)循環(huán)空間和外循環(huán)空間的水冷液分別為冷卻液、變壓器油。上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的底光源支架，其特征在于:該支架由有機玻璃制成，容易實現(xiàn)安裝，可以實現(xiàn)兩種方向的磁場來研究磁流體的動態(tài)微觀結構與磁場的關系。上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的軟光纖，其特征在于:軟光纖的有效直徑為6mm,長為800mm。(三)有益效果
本發(fā)明的一種用于研究磁流體的微觀結構與磁場關系的實驗裝置，有以下幾個方面特
1.實現(xiàn)對磁流體的微觀結構與磁場關系的動態(tài)研究；
2.溫度恒定，磁場較大，能夠長時間的使用而不對周圍環(huán)境的溫度產(chǎn)生太大的影響；
3.能夠提供兩種方向的磁場，一種為平行于磁流體樣本，另外一種為垂直于磁流體樣
本；
4.為磁流體樣本提供足夠空間，操作靈活，而不影響觀察。


本發(fā)明共有8幅附圖。其中:
附圖1是本發(fā)明的簡要的立體結構 附圖2是本發(fā)明的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置的立體結構圖，其虛線箭頭為水冷液的循環(huán)方向；
附圖3是本發(fā)明的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置的剖面?zhèn)纫晥D，其中虛線箭頭為變壓器油的循環(huán)方向；
附圖4是本發(fā)明的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置的仿真 附圖5是本發(fā)明的底光源支架的立體結構 附圖6是本發(fā)明的垂直于磁流體樣本的磁場施加安裝結構 附圖7是使用本發(fā)明裝置研究磁流體與平行磁場作用下的磁場關系的實驗 附圖8是使用本發(fā)明裝置研究磁流體與垂直磁場作用下的磁場關系的實驗圖。圖中:1、視頻光學顯微鏡，2、雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，3、底光源支架，4、計算機，5、可編程電源，6、光源系統(tǒng)，7、水冷液循環(huán)散熱裝置，8、變壓器油循環(huán)散熱裝置，9、高斯計，10、高斯計探頭，11、導線，12、軟光纖，13、散熱管，20a、上擋板，20b、下?lián)醢澹?1a、左密封塊，21b、右密封塊，23、內(nèi)筒，24、線圈，25a、水冷液流入口，25b水冷液流出口，26、外循環(huán)空間，27、內(nèi)循環(huán)空間，28、內(nèi)部空氣空間，29a、變壓器油流入口，29b、變壓器油流出口，30、觀察托盤，31、承載板，37、支撐筒，33、承載板固定螺栓，34軟光纖固定管，35、鎖緊螺母，36、支撐平板，37、軟光纖口。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖對本發(fā)明的具體結構、原理以及操作進一步的詳細說明。為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置，該實驗裝置由視頻光學顯微鏡1、雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2、底光源支架3、計算機4、可編程電源5、光源6、水冷液循環(huán)散熱裝置7、變壓器油循環(huán)裝置8、高斯計9組成。本發(fā)明綜合考慮設備成本以及對磁流體的微觀結構研究的迫切需要，本發(fā)明如圖1所示，使用了視頻光學顯微鏡I來實現(xiàn)對磁流體的微觀結構與磁場關系的動態(tài)研究，該視頻顯微鏡選用了 CXD攝像頭、高倍單筒顯微鏡，尤其使用了 100X的超長工作距離的平場消色差物鏡，工作距離可達到12.5mm，保證高分辨率的同時還增加磁流體樣本的放置空間使得磁流體在樣本在制作中更加容易，并可在不同磁場的情況下實時觀察和采集磁流體的微觀結構的影像。由于使用了高倍單筒顯微鏡進行觀察磁流體，需要使用透射式的光源，因而強度要求相比普通單筒顯微鏡使用情況下要求更高，光能量需要更大，一般的散射光源無法實現(xiàn)，因此使用了光源6經(jīng) 由軟管光纖12將光通過底光源支架3引入到磁流體樣本的正下方為觀察提供底光源，也就是提供透射式光源，此時就需要用到設計的底光源支架3。如圖1和圖5所示，該底光源支架3能夠將光源引入到磁流體樣本的正下方，并且承載板31上承載了雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2，通過承載板31可在支撐平板36上實現(xiàn)兩雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2之間的距離的調(diào)整，并通過承載板固定螺栓33將承載板31擰緊固定在支撐平板36上，并通過鎖緊螺母35和支撐平板36中的螺紋來調(diào)節(jié)軟光纖固定管34的長度和觀察托盤30的高度。本發(fā)明中的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置，能產(chǎn)生垂直和平行于磁流體樣本的兩種磁場。為了產(chǎn)生水平方向的均勻磁場，如圖1所示的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2，需要一對完全相同的線圈同軸放置。將兩個線圈通以同向電流時，磁場疊加增強，并在一定區(qū)域形成近似均勻的磁場；在中心間距等于線圈半徑的時候，其兩同軸的中點附近的磁場可以由下式給出:
權利要求
1.本發(fā)明提出一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置，該實驗裝置由視頻光學顯微鏡1、雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2、底光源支架3、計算機4、可編程電源5、光源6、水冷液循環(huán)散熱裝置7、變壓器油循環(huán)散熱裝置8、高斯計9組成；雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置是由內(nèi)筒23，線圈24，左密封塊21a，右密封塊21b，以及上擋板20a和下?lián)醢?0b組成，其特征在于:內(nèi)筒23中有內(nèi)循環(huán)空間27 ;線圈24，左密封塊21a，右密封塊21b之間形成外循環(huán)空間26 ;兩側分別由上擋板20a和下?lián)醢?0b密封；內(nèi)循環(huán)水冷液從入口 25a進入，在內(nèi)循環(huán)空間內(nèi)高速流動，并由出口 25b流出，經(jīng)水冷液循環(huán)散熱裝置7進行散熱；同時外循環(huán)的變壓器油是由入口 29a流入，并由出口 29b流出，經(jīng)變壓器油循環(huán)散熱裝置8進行散熱；底光源支架3上有觀察托盤30，承載板31，支撐筒32，承載板固定螺栓33，軟光纖固定管34，鎖緊螺母35，支撐平板36，軟光纖口 37組成；光源6通過軟光纖12將光路導入通過底光源支架3中支撐筒32下方的軟光纖口 37插進軟光纖固定管34中并用螺栓固定，適當調(diào)節(jié)軟光纖12的出射端面與觀察托盤30的距離以利于觀察；底光源支架3中的左、右兩個承載板31上分別放置一個雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2，調(diào)整承載板31使兩個雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2達到兩裝置間的中心間距為其線圈直徑的一半，以達到平行于磁流體樣本的勻強磁場的產(chǎn)生，然后使用承載板固定螺栓33固定好承載板31 ;通過高斯計9可以實時的了解磁場的大??；使用視頻光學顯微鏡I移動到底光源支架3的觀察托盤30的正上方后調(diào)整焦距即可實現(xiàn)觀察；同樣利用底光源支架3和一個雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2可以產(chǎn)生一個垂直于磁流體樣本的磁場，可實現(xiàn)對多種磁場方向下磁流體的微觀結構的研究。
2.上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的視頻光學顯微鏡是由CCD攝像頭、高倍單筒顯微鏡、顯微鏡支架組成，其特征在于:高倍單筒顯微鏡的物鏡為100X平場消色差物鏡,齊焦距離為95mm,工作距離為12.5mm,焦距長為2mm。
3.上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的顯微鏡支架，其特征在于:顯微鏡支架的移動行程可達253_，以提供足夠的行程來設置底光源支架3和雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2。
4.上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2，其特征在于:內(nèi)部的線圈24均采用耐高溫漆包線繞制，耐溫180°C，線徑1.4mm，繞制750圈；其循環(huán)空間的入口、出口方向與環(huán)形空間相切，冷卻液在其中螺旋狀單向流動；其中循環(huán)空間包括內(nèi)循環(huán)空間和外循環(huán)空間的水冷液分別為冷卻液、變壓器油。
5.上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的底光源支架，其特征在于:該支架由有機玻璃制成，容易實現(xiàn)安裝，可以實現(xiàn)兩種方向的磁場來研究磁流體的動態(tài)微觀結構與磁場的關系。
6.上述方案中，所述的一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置的軟光纖，其特征在于:軟光纖的有效直徑為6mm,長為800mm。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于研究磁流體微觀結構與磁場關系的實驗裝置。該實驗裝置由視頻光學顯微鏡1、雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2、底光源支架3、計算機4、可編程電源5、光源6、水冷液循環(huán)散熱裝置7、變壓器油循環(huán)散熱裝置8、高斯計9組成；雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置是能夠長時間穩(wěn)定的提供大磁場而不影響其周圍的環(huán)境；使用視頻光學顯微鏡1移動到底光源支架3的正上方后調(diào)整焦距可實現(xiàn)觀察；同時利用底光源支架3和雙回路液冷的恒溫均勻磁場發(fā)生裝置2可以產(chǎn)生平行或垂直于磁流體樣本的磁場，以實現(xiàn)對多種磁場方向下磁流體的微觀結構的研究。
文檔編號G09B23/18GK103177643SQ20131012570
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權日2013年4月12日
發(fā)明者趙勇, 呂日清, 徐寧 申請人:東北大學