专利摘要

本实用新型涉及一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其包括：通过一万向磁力表座安装在一真空腔体内的电磁铁，其包括：由相互平行设置的上水平磁铁板和下水平磁铁板、以及连接在所述上水平磁铁板和下水平磁铁板之间的竖直磁铁板构成的U型框架；从所述上水平磁铁板的下表面向下延伸的上极头；从所述下水平磁铁板的上表面向上延伸的铁芯，其顶端具有与所述上极头位置相对的下极头，该下极头与所述上极头间隔开以供外部样品设置在该上、下极头之间；以及绕制在所述铁芯外缘的线圈；以及与所述线圈连接以向其供电的直流电源。本实用新型有效提高了STXM实验站样品处的磁场强度和均匀性。

权利要求

1.一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述系统包括：

通过一万向磁力表座安装在一真空腔体内的电磁铁，其包括：

由相互平行设置的上水平磁铁板和下水平磁铁板、以及连接在所述上水平磁铁板和下水平磁铁板之间的竖直磁铁板构成的U型框架；

从所述上水平磁铁板的下表面向下延伸的上极头；

从所述下水平磁铁板的上表面向上延伸的铁芯，其顶端具有与所述上极头位置相对的下极头，该下极头与所述上极头间隔开以供外部样品设置在该上、下极头之间；以及

绕制在所述铁芯外缘的线圈；以及

用于向所述电磁铁供电的直流电源。

2.根据权利要求1所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述系统还包括用于监测所述电磁铁温度的温度监控器。

3.根据权利要求2所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述温度监控器设置在所述真空腔体外部，并通过热偶导线与所述线圈连接。

4.根据权利要求1所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述系统还包括安装在所述真空腔体内底面上的供所述万向磁力表座吸附于其上的支撑铁板。

5.根据权利要求1或4所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述万向磁力表座具有用于供所述电磁铁支撑于前端的万向支臂。

6.根据权利要求1所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述电磁铁还包括设置在所述线圈外缘与所述竖直磁铁板之间的垫块。

7.根据权利要求1所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述上水平磁铁板、下水平磁铁板和竖直磁铁板一体成型地连接成所述U型框架。

8.根据权利要求1所述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其特征在于，所述直流电源设置在所述真空腔体外部，并通过电源导线与所述线圈连接。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于软X射线谱学显微成像(STXM)的原位磁场系统。

背景技术

上海同步辐射STXM实验站具有高空间分辨和高化学态分辨能力，是纳米尺度下的结构和功能研究的有力工具。STXM实验站采用波荡器光源，满足科研对偏振可调性能(线偏振、圆偏振)的需求，是开展X射线磁圆二色成像(XMCD)的理想平台。

磁性材料对左旋和右旋的偏振光具有不同的吸收能力，这种二色性现象被称之为X射线磁圆二色。例如对于铁磁性材料，其原子的3d能带(量子理论认为电子按照能级进入轨道排列，能级俗称电子亚层，其中M层有3s、3p和3d能级。单个原子的能级是分立的，当固体中多个原子紧密排列时，由于原子间的相互作用，原子来同一大小的能级这时彼此数值上就有小的差异。例如3d能级就分裂成一系列和3d能级很接近的大量新能级，这些新能级被称为3d能带)自旋向上和向下的电子数不同，当入射X射线的能量恰好为2P到3d能级差时，由于跃迁选择定则的限制，X射线左右旋圆偏振光的吸收将产生变化，出现XMCD现象。利用STXM成像技术和XMCD效应，可以实现磁性薄膜的磁畴测量，用于研究合金材料或者磁性多层膜元素间的磁性耦合机制，具体来说，当入射X射线能量在材料的吸收边时，由于XMCD效应会产生不同的信号，因此在X射线成像中会产生不同的衬度。不同的元素具有不同的吸收边，通过调节X射线的能量，可以测量同一样品同一位置不同元素的磁畴，因此可以利用X射线显微成像来研究合金等复杂材料和磁性多层膜中的不同元素之间的磁性耦合。例如利用XMCD技术对Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al材料中Co和Fe进行磁畴成像，发现Co和Fe的磁畴中亮暗是完全一致的，这说明Co原子和Fe原子的磁矩是铁磁耦合。

外加磁场是研究磁性耦合和起源的一种重要方法，比如在研究铁/氧化镍双层膜交换耦合特性时，改变外磁场的大小和方向会使畴壁发生运动，可以研究界面交换耦合机制；增加脉冲磁场可以使纳米磁涡旋极性发生翻转，用于研究磁涡旋动力学行为。产生磁场的装置包括线圈、电磁铁，超导磁铁等，采用的方式与实验目的有关。

例如，为了研究镍铁合金涡旋核位置随外磁场改变，需要在STXM实验站样品侧面增加一个电磁铁，其中，样品在同步辐射STXM实验腔内距前端法兰2cm，距右侧面激光干涉仪的挡板2cm，距左侧观察窗30cm。因此，为了满足空间限制，工作人员设计如下电磁铁，该磁铁为单极头柱状电磁铁，柱体长10cm，直径为3cm，极头长1cm，直径为0.8cm，这种单极头柱状电磁铁能够提供的最大磁场为300Gs。

上述单极头柱状电磁铁虽然设计简单、占用空间较少，能够满足基本实验需要，然而，从这种单极头柱状电磁铁的极头出来的磁场很容易扩散到空间中，并且逐渐递减，从而使得到达样品处的磁场小，且分布不均匀，进而使得STXM实验站无法表征更多的磁性材料及结构，并且使得STXM实验的准确性和可重复性较低。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，以提高STXM实验站样品处的磁场强度和均匀性。

本实用新型所述的一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其包括：

通过一万向磁力表座安装在一真空腔体内的电磁铁，其包括：

由相互平行设置的上水平磁铁板和下水平磁铁板、以及连接在所述上水平磁铁板和下水平磁铁板之间的竖直磁铁板构成的U型框架；

从所述上水平磁铁板的下表面向下延伸的上极头；

从所述下水平磁铁板的上表面向上延伸的铁芯，其顶端具有与所述上极头位置相对的下极头，该下极头与所述上极头间隔开以供外部样品设置在该上、下极头之间；以及

绕制在所述铁芯外缘的线圈；以及

用于向所述电磁铁供电的直流电源。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，还包括用于监测所述电磁铁温度的温度监控器。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述温度监控器设置在所述真空腔体外部，并通过热偶导线与所述线圈连接。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，还包括安装在所述真空腔体内底面上的供所述万向磁力表座吸附于其上的支撑铁板。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述万向磁力表座具有用于供所述电磁铁支撑于前端的万向支臂。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述电磁铁还包括设置在所述线圈外缘与所述竖直磁铁板之间的垫块。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述上水平磁铁板、下水平磁铁板和竖直磁铁板一体成型地连接成所述U型框架。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述直流电源设置在所述真空腔体外部，并通过电源导线与所述线圈连接。

由于采用了上述的技术解决方案，本实用新型通过将样品处的电磁铁设计为双极头电磁铁，从而在充分利用实验腔的空间的基础上，能够增加铁芯的直径，以绕扎更多的线圈，并且通过将样品置于上、下极头之间，进而不仅增大了样品处的磁场强度，而且还降低了磁场衰减速度，提高了磁场的均匀性，由此，使得STXM实验站能够表征更多的磁性材料及结构，并且提高了STXM实验的准确性和可重复性。另外，本实用新型还通过增设温度监控器，实时监测磁铁的温度变化，从而提高了整套系统的安全性。

附图说明

图1是本实用新型一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统的结构示意图；

图2是本实用新型中电磁铁的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1、2所示，本实用新型，即一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，包括：安装在STXM试验站的真空腔体10内的底面上的支撑铁板1、吸附在支撑铁板1上的万向磁力表座2、支撑在万向磁力表座2上的电磁铁3、用于向电磁铁3供电的直流电源4，以及用于实时监测电磁铁3温度的温度监控器5，其中：

电磁铁3具体包括：

由相互平行设置的上水平磁铁板31和下水平磁铁板32、以及连接在上水平磁铁板31和下水平磁铁板32之间的竖直磁铁板33构成的U型框架30；

从上水平磁铁板31的下表面向下延伸的上极头34；

从下水平磁铁板32的上表面向上延伸的铁芯35，其顶端具有与上极头34位置相对的下极头36，该下极头36与上极头34间隔开以供外部样品20设置在该上、下极头34、36之间(X射线垂直入射到样品表面，当同步辐射STXM成像时，改变样品处的磁场大小，即可实现原位磁场下的同步辐射STXM成像)；以及

绕制在铁芯35外缘的线圈37；

其中，上水平磁铁板31、下水平磁铁板32和竖直磁铁板33一体成型地连接成U型框架30，且线圈37外缘与竖直磁铁板33之间还设置有垫块38。

在本实用新型中，由于电磁铁3为双极头结构，样品20可置于两个极头之间，因此，能更充分地利用真空腔体10内的空间，由此可增大电磁铁3的尺寸，以较现有技术绕制更多的线圈37，从而提高磁场强度。在本实施例中，电磁铁3中铁芯35的长度为13cm，直径为4cm(线圈37的绕扎圈数大约为为单极头磁铁的1.7倍)，上、下极头34、36之间间距1cm，通电后电磁铁3在样品20处产生的磁场可高达1000Gs，较之以前提高3倍多，从而，使得STXM实验站能够表征更多的磁性材料及结构。例如，研究镍铁合金三角形涡旋手征性翻转特点时，需要观察在1000Gs到-1000Gs外磁场作用下磁涡旋的产生和泯灭，这是现有技术无法完成的实验，而通过本实用新型则可完成。而且，双极头之间的磁场不容易扩散到空间中，大大降低漏磁，从而使样品处的磁场更均匀，由此提高了实验的准确性和可重复性。

然而，随着电磁铁3尺寸的增加，其重量也随之增加(约为3Kg)，由于真空腔体10为不锈钢材质，因此，万向磁力表座2本身无法吸附在真空腔体10的底面，而过重的电磁铁3会使得万向磁力表座2容易失去平衡，因此，在本实用新型中，还采用了支撑铁板1，以用于供万向磁力表座2吸附(通过旋转万向磁力表座2的手柄，可以使其吸附在支撑铁板1上)、固定于其上，以使之保持平衡。

在本实施例中，万向磁力表座2具有可以改变角度和位置的万向支臂(图中未示)，该万向支臂的前端是夹表处，可以微调方向，以用于夹持电磁铁3的支架(图中未示，该支架大约在万向磁力表座2上方25cm处)，并且可以按照要求改变其方向，使其处于万向磁力表座2上方的任意位置。由于万向磁力表座2为现有技术中可直接得到的产品，故在此不再赘述。

在本实用新型中，直流电源4设置在真空腔体10外部，并通过电源导线与线圈37连接，以向其供电。为了进一步增大电磁铁3产生的磁场强度(满足1000Gs的要求)，在本实施例中，直流电源4采用的是艾德克斯公司生产的一款高精度直流电源IT6154，其输出额定电压和电流为9A和60V，精度分别为0.05％+10mA和0.02％+12mV，额定功率为540W。当然，也可以采用现有的其他型号满足要求的直流电源。

随着磁场的增大，电磁铁3的功率也随之增大，例如对应400Gs的电磁铁功率为0.8w，电磁铁3的发热可以忽略，而磁场达到1000Gs时，电磁铁3的功率为87w，过高的功率会使磁体产生大量热量，而由于电磁铁3安装在真空腔体10内，因此散热缓慢，当温度升到一定值后将会使得导线短路，从而烧毁铁磁线圈，污染实验腔体。为了避免可能产生的安全事故，本实用新型采用了温度监控器5实时监测电磁铁3的温度。在本实施例中，温度监控器5由DR-4524电源和ioLogik远程以太网I/O组成，该温度监控器5设置在真空腔体10外部，并通过热偶导线与线圈37连接。当然，也可以采用现有的其他形式满足要求的温度监控器，例如与线圈37接触的温度传感器等。

STXM实验站的真空腔体10的工作真空需要保持为1e^-5Torr，因此，在本实施例中，采用真空法兰6连接真空腔体10内外的热偶导线和电源导线，该真空法兰6的直径为70mm，其含有两组BNC接头60(同轴电缆连接器)，每组含两个BNC接头，一组连接两根电源线，另一组连接两根热偶导线。

另外，为能够远程操控磁场，还可以将本实用新型与电脑7连接，通过改变电流或电压大小实现远程操控。

综上所述，本实用新型通过对电磁铁的设计，克服了真空腔体对空间的限制，最大程度的提高了磁通量，并且双极头的使用有助于提高样品处磁场的均匀性。另外，通过采用温度监控器，有效提高了系统的安全性。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。