專利名稱：磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種材料科學(xué)凝聚態(tài)物理實驗設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀。
背景技術(shù)：
磁性液體是一種常溫常壓下，在納米技術(shù)基礎(chǔ)上人工合成的液態(tài)磁性功能材料。 磁性液體對外磁場具有響應(yīng)，在微觀上，磁性液體中的納米顆粒會因外磁場的影響發(fā)生特定運動最終形成微米級的場致平衡態(tài)團聚體結(jié)構(gòu)，進而在宏觀上產(chǎn)生了場致物理性質(zhì)的變化。磁性液體具有的弛豫性(時域變化)的場致效應(yīng)之一就是磁致光透射變化。利用磁性液體磁致光透射變化測量儀(實用新型專利，專利號200320114583. 8)測量透射光及其變化來研究磁性液體微觀結(jié)構(gòu)和變化主要是利用了磁性液體微米級團聚結(jié)構(gòu)的幾何屏蔽效應(yīng)(J. Li, X. D. Liu, Y. Q. Lin, et al. Appl. Phys. Lett., 91 (2007) 253108)，這種方式中磁性液體KTlOOnm量級的團聚結(jié)構(gòu)及其變化并沒有充分顯示。實驗所測得的透射光強度為直接透過的光和小角散射光強度之和，而小角散射光包含了豐富的KTlOOnm量級的團聚結(jié)構(gòu)及其變化的信息，并且小角散射光有成熟的理論基礎(chǔ)，可以很方便地對微結(jié)構(gòu)尺寸、分布進行定量計算，特別是小角背散射光的測量，可避免直接透過光的影響，僅獲得散射光及其變化信息，因此，分離出小角散射光并專門進行研究對磁性液體場致微觀結(jié)構(gòu)的研究具有重要的意義。由于磁性液體背散射光很弱，再加上室溫、背景光的變化，都會影響測量的準確，因此相應(yīng)的測量儀器應(yīng)具有背散射光損失小、高靈敏度和高的穩(wěn)定性，對磁性液體磁致背光散射及其變化的測量具有十分重要的意義。磁性液體的微觀結(jié)構(gòu)極為強烈地受到外加磁場的影響，除了磁場大小外還有磁場的掃描率和交變頻率有關(guān)，因此電磁鐵電流源及其控制系統(tǒng)的時域變化功能地擴充，使得控制磁場具有更多變化模式，對擴展磁性液體磁致背散射光變化的研究范圍也是十分重要的。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀，該測量儀針對在由程序控制的時域變化的磁場下，磁性液體的小角背散射光變化精確測定的需要，提供減小小角背散射光損失并可排除外界干擾所引起的測量誤差的精確測量系統(tǒng)。采用差動測量原理，設(shè)計構(gòu)成了磁性液體磁致光小角背散射變化測量儀，用于測量磁場中磁性液體的小角背散射變化。本實用新型的技術(shù)方案如下一種磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀，其特征在于它由光源L、起偏器P、分光鏡S、檢偏器Al和A2、l/2波片W21和W22、偏振耦合鏡 Cl和C2、l/4波片W41和W42、光電探頭Dl和D2、電磁鐵M、壓控雙極性電流源E、差動放大器H、測試樣品TS、參考樣品RS、特斯拉計T和計算機PC構(gòu)成，其特征是光源L產(chǎn)生的一束光通過起偏器P后由分光鏡S將其分為測試光束和參考光束，測試光束器件依入射方向排列為檢偏器Al、l/2波片W21、偏振耦合鏡Cl、l/4波片W41、電磁鐵、測試樣品TS，光電探頭Dl對準小角背散射光在偏振耦合鏡Cl上的反射方向，參考光束器件依入射方向排列為檢偏器A2、l/2波片W22、偏振耦合鏡C2、l/4波片W42、參考樣品RS，光電探頭D2對準小角背散射光在偏振耦合鏡C2上的反射方向，光電探頭Dl和D2的輸出與差動放大器H的輸入端連接，差動放大器H的輸出端與計算機PC連接，特斯拉計T的探頭TP固定在電磁鐵M極靴間隙中，其輸出端口與計算機PC連接，計算機PC輸出端與壓控雙極性電流源E的輸入端連接，壓控雙極性電流源E的輸出端與電磁鐵M連接。所述光源采用氦氖激光器，或半導(dǎo)體激光器，或白熾光。所述采用電壓控制的雙極性電流源E、特斯拉計T和計算機PC組成的閉環(huán)控制方式對電磁鐵M的磁場進行精確控制。1.光路方案光源L產(chǎn)生一束光，通過起偏器P后由分光鏡S將其分為兩束光，一束為測試光束，另一束為參考光束。測試光束通過檢偏器Al的調(diào)節(jié)，通過1/2波片W21調(diào)節(jié)偏振態(tài)，再通過偏振耦合鏡Cl和1/4波片W41后，在磁場中的磁性液體測試樣品TS中發(fā)生散射，其小角背散射光沿原路返回，通過1/4波片W41，在偏振耦合鏡Cl上發(fā)生高效反射以減小散射光的損失，最后被反射的散射光由光電探頭Dl探測。參考光束的光路與測試光束光路完全相同，只是在參考光路中磁性液體參考樣品沒有外加磁場。2.測試方案(1)在計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)PC上編寫磁場控制程序，受控的電磁鐵M可實現(xiàn)以下基本變化①定時加磁場，定時退磁場斜體的#表示磁場強度，t表示時間，^表示加磁場時刻，t2表示退磁場時刻，伐表示所加磁場強度(可正可負，變號表示方向改變)。②特定掃描率先=(CWdi)1加磁場和毛=(cW/di)2退磁場tx表示加磁場時刻，t2表示退磁場時刻，tA (= 巧表示以掃描率之加磁場結(jié)束時刻，tR (= 巧Α2+ 2)表示以掃描率毛退磁場結(jié)束時刻，&表示設(shè)定的磁場強度(可正可負，變號表示方向改變)。③低頻交變磁場[0018]H=H0cos{2Y>ft+j)H0表示磁場變化幅度，/表示磁場變化頻率，J表示磁場變化初相位。④以上①②③的組合和周期重復(fù)。(2)將測試光路光電探頭Dl和參考光路光電探頭D2信號I” I2輸入到差動放大器，其輸出信號正比于兩信號差D/ (=J1-J2)0當(dāng)輸出信號D/非常微弱，可使用高增益差動放大器準確放大測量。當(dāng)外界出現(xiàn)干擾，如電源波動、光源波動、溫度波動、環(huán)境背景光波動等，測試和參考光路光電探頭信號都會出現(xiàn)干擾信號If,由差動放大原理，即OI = (I,+If) - (I2+If) = I1-I2從而兩路信號的同步干擾信號得到抑制，保證磁性液體磁致小角背散射光變化精確地高穩(wěn)定性地測量。(3)特斯拉計T的探頭TP作為磁場的傳感，置于磁場中測試樣品旁，由特斯拉計T 的模擬輸出將磁場探測數(shù)據(jù)反饋給計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)PC，計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)PC根據(jù)反饋數(shù)據(jù)按預(yù)定程序控制電流源E，從而控制電磁鐵M產(chǎn)生磁場，自此形成一個控制磁場的閉合回路，保證了精確快速地變換磁場。本實用新型的優(yōu)點是小角背散射光損失小，磁場控制精確并能提供豐富的磁場變化模式，測量精確抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、靈敏度高，能準確反映被測對象因為磁場作用帶來的細微物理變化。

圖1是本測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
在圖1中，L 光源，一般為氦氖激光器(波長632. 8nm)或半導(dǎo)體激光器(波長650nm)，也可以使用其它形式的平行光源，但要求1/2波片和1/4波片使用波長與之對應(yīng)；P 起偏器；S 分光鏡；Al和A2:檢偏器；W21 禾口 W22 :1/2 波片；Cl和C2 偏振耦合鏡；W41 禾口 W42 1/4 波片；Dl和D2:光電探測頭；M 電磁鐵；E 壓控雙極性電流源；H 差動放大器；T 特斯拉計，其探頭為TP ；PC 計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。參加圖1，本測試儀的構(gòu)造和工作方式如下光源L發(fā)出一束直徑約為Imm的光束，經(jīng)過起偏器P得到一束偏振光，由分光鏡S分為兩路光，一路為測試光束，另一路為參考光束，并由兩光路檢偏器Al、A2分別調(diào)節(jié)兩路光的強度相等。測試光路中光束再經(jīng)過1/2 波片W21調(diào)整偏振態(tài)后，高透射率地透過偏振耦合鏡Cl，通過1/4波片W41和電磁鐵M的極靴孔(圖1中磁場垂直測試樣品TS面，也可以調(diào)整電磁鐵M使磁場平行測試樣品TS面)，在電磁鐵M極靴間的樣品TS上發(fā)生散射，小角背散射光經(jīng)過極靴孔返回通過1/4波片W41， 此時小角背散射光偏振態(tài)發(fā)生改變，并由偏振耦合鏡Cl發(fā)生高效率反射，反射光由光電探測頭Dl接收。參考光路中，光束再經(jīng)過1/2波片W22調(diào)整偏振態(tài)后，高透射率地透過偏振耦合鏡C2，通過1/4波片W42，在參考樣品RS上發(fā)生散射，背散射光返回通過1/4波片 W42，此時小角背散射光偏振態(tài)發(fā)生改變，并由偏振耦合鏡C2發(fā)生高效率反射，反射光由光電探測頭D2接收。測試樣品和參考樣品的制作工藝一致、結(jié)構(gòu)尺寸一致、物理性能一致，可以互換。在沒有加磁場時兩路光束的小角背散射光信號強度相同，因此差動放大器H輸出信號為零?？梢岳脵z偏器Al和A2對光電信號在小范圍內(nèi)進行調(diào)零。測試光路中的磁場由電磁鐵M產(chǎn)生，其產(chǎn)生磁場的變化模式由壓控雙極性電流源E按照計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)PC預(yù)先編制好的程序進行控制。在測試樣品TS旁的磁場探頭TP，將磁場大小信號由特斯拉計T的模擬輸出端口輸出給計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)PC，作為磁場控制程序的參數(shù)。當(dāng)磁場發(fā)生變化時，磁性液體測試樣品TS的小角背散射光也相應(yīng)地響應(yīng)磁場發(fā)生變化，光信號隨之變化，在差動放大器H的輸出端就有一個時域變化信號。此信號送入計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)PC自動完成測試、顯示、分析、處理、記錄存盤，給出精確測量結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀，它由光源L、起偏器P、分光鏡S、檢偏器Al和A2U/2波片W21和W22、偏振耦合鏡Cl和C2U/4波片W41和W42、光電探頭Dl和 D2、電磁鐵M、壓控雙極性電流源E、差動放大器H、測試樣品TS、參考樣品RS、特斯拉計T和計算機PC構(gòu)成，其特征是光源L產(chǎn)生的一束光通過起偏器P后由分光鏡S將其分為測試光束和參考光束，測試光束器件依入射方向排列為檢偏器Al、l/2波片W21、偏振耦合鏡Cl、 1/4波片W41、電磁鐵、測試樣品TS，光電探頭Dl對準小角背散射光在偏振耦合鏡Cl上的反射方向，參考光束器件依入射方向排列為檢偏器A2、l/2波片W22、偏振耦合鏡C2、l/4波片W42、參考樣品RS，光電探頭D2對準小角背散射光在偏振耦合鏡C2上的反射方向，光電探頭Dl和D2的輸出與差動放大器H的輸入端連接，差動放大器H的輸出端與計算機PC連接，特斯拉計T的探頭TP固定在電磁鐵M極靴間隙中，其輸出端口與計算機PC連接，計算機PC輸出端與壓控雙極性電流源E的輸入端連接，壓控雙極性電流源E的輸出端與電磁鐵 M連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀，其特征在于光源采用氦氖激光器，或半導(dǎo)體激光器，或白熾光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀，其特征在于采用電壓控制的雙極性電流源E、特斯拉計T和計算機PC組成的閉環(huán)控制方式對電磁鐵M的磁場進行精確控制。
專利摘要一種磁性液體磁致小角背散射光變化測量儀，光源L產(chǎn)生的一束光通過起偏器P后由分光鏡S將其分為測試光束和參考光束，測試光束器件依入射方向排列為檢偏器A1、1/2波片W21、偏振耦合鏡C1、1/4波片W41、電磁鐵、測試樣品TS，光電探頭D1對準小角背散射光在偏振耦合鏡C1上的反射方向，參考光束器件依入射方向排列為檢偏器A2、1/2波片W22、偏振耦合鏡C2、1/4波片W42、參考樣品RS，光電探頭D2對準小角背散射光在偏振耦合鏡C2上的反射方向，光電探頭D1和D2的輸出與差動放大器H的輸入端連接，差動放大器H的輸出端與計算機PC連接。本實用新型的優(yōu)點是小角背散射光損失小，磁場控制精確并能提供豐富的磁場變化模式，測量精確抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、靈敏度高，能準確反映被測對象因為磁場作用帶來的細微物理變化。
文檔編號G01N21/49GK202159015SQ20112016584
公開日2012年3月7日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者王慶, 謝宇, 黃彥 申請人:南昌航空大學(xué)