高频测量杆的制作方法

本发明总体上涉及物性测量领域，更特别地，涉及一种测量杆，其能够用于测量样品的高频属性。

背景技术：

物性测量系统是物理、化学和材料等众多科研领域必需的基础实验设备例如，Quantum Design公司制造的综合物性测量系统(PPMS)被广泛地应用于诸多实验室中，并且被用于在低温、强磁场条件下测量样品的电阻率、磁电阻、霍尔系数、伏安特性、热导率等特性。物性测量系统一般包括样品室，待测样品可被安装在测量杆上并且随测量杆插入到样品室中以进行测量。待测样品还可通过引线连接到测量杆上的引线座，当测量杆插入到样品室中时，引线座可以对准并且连接到样品室中的电路接头(例如，多个管脚(pin))，从而可以对样品的电属性进行测量。

随着研究的深入，尤其是在材料磁性研究领域，凝聚态物理学研究者除了关注稳恒或低频准稳恒条件下的磁结构与性能之外，近些年开始更加倾向于关注磁性相关的结构与性能在温度与外磁场按照设定条件变化的情况下随时间快速变化的动力学过程。常规的物性测量系统只能测量较低频率(例如，10kHz)下的交流磁化率，无法开展高频高磁导率机制、磁畴共振、铁磁共振、超导涡旋组态有序无序转变机理等高频磁动力学过程相关物理问题的研究。

近年来，已经提出了一些用于测量材料的高频属性的测量设备。例如，题为“一种无接触式低温磁运输测试的样品杆”的中国专利申请CN103529407A公开了将同轴电缆、同轴波导和两根测试线分别置于四根引导杆中以延伸至并且连接到待测样品。此外，题为“一种电磁及光电测试多功能样品杆”的中国专利申请CN104181341A公开了将导电线和光纤分别沿金属杆的外壁和内壁延伸至并且连接到待测样品。这些现有技术均存在一些问题。例如，样品杆本身一般较细，即使其为空心的，其内部空间也难以容纳具有一定粗度的同轴电缆。此外，当把同轴电缆缠绕在样品杆的外部时，会增加样品杆的总体粗度，可能导致样品杆不能顺利插入到测试设备中。再者，现有技术中的样品杆也没有给出合适的结构以将例如高频电信号施加到待测样品。

因此，需要一种改善的测量杆，其能够便利地测量材料在高频下的各种属性。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的确定和不足，本申请的一个方面在于提供一种高频测量杆，能够便利地测量材料在高频下的各种属性。

根据本申请的一示范性实施例，一种高频测量杆，包括：杆体，具有中空的壳体和同心地设置在所述壳体内的芯体，所述壳体和所述芯体均由导电材料形成以用于传输高频信号；测量端头，设置在所述杆体的第一端以用于容纳待测样品；以及连接端头，设置在所述杆体的与所述第一端相反的第二端，以用于将所述杆体连接到测量设备主体。

在一些实施例中，所述壳体由两段材料焊接而成，在距离所述第一端1/3处的这一段所述壳体由良导体无氧铜或银制成，焊接点到所述第二端由不锈钢制成，所述芯体由两段材料焊接而成，在距离所述第一端1/5处的这一段所述壳体由良导体无氧铜或银制成，焊接点到所述第二端由不锈钢制成；以及所述壳体和所述芯体通过绝缘垫片彼此间隔开，所述壳体内径与所述芯体外径的比值的自然对数等于需要匹配的阻抗欧姆数除以60。

在一些实施例中，所述杆体还包括一个或多个隔热板，设在所述壳体上以防止在所述壳体的延伸方向上形成气体对流。

在一些实施例中，所述测量端头包括：连接部件，连接到所述壳体，并且所述连接部件设有样品室用于容纳待测样品；限位部件，与所述连接部件同轴设置，由两个内径相同、外径不同的两端开口的圆筒构成，两个圆筒外部相接处形成台阶；导电柱，设在所述限位部件的内部，并可进入所述连接部件的样品室内从而与待测样品在一定机械尺寸范围内实现良好电学接触；以及锁头部件，与所述限位部件连接，用于遮盖所述限位部件开放的一端。

在一些实施例中，所述连接部件内部中空以用于所述芯体的穿过。

在一些实施例中，所述限位部件与所述锁头部件接触的侧面还设有凹槽，所述导电柱相对所述凹槽设有凸起，以用于所述导电柱轴向运动的线程控制在凹槽的深度范围内。

在一些实施例中，所述高频测量杆还包括：弹性部件，设在所述导电柱和所述锁头部件之间，用于调节所述导电柱轴向移动的范围；以及紧固部件，呈两端开口直径不同的圆筒状，其中，直径大的一端开口与所述连接部件连接，直径小的一端开口套在所述限位部件台阶处，从而限制所述限位部件的活动。

在一些实施例中，所述测量端头包括：连接部件，呈两端开口的圆筒状，连接到所述壳体，与所述杆体同轴设置；限位部件，内部中空并设有圆环平台，所述限位部件一端与所述连接部件连接；材料台，设在所述限位部件的圆环平台上，用于放置环状待测样品；以及锁头部件，与所述连接部件同轴设置，用于将所述材料台套封于所述限位部件内，所述锁头部件设有中心柱，所述中心柱穿过所述材料台和所述限位部件从而与所述芯体接触。

在一些实施例中，所述圆环平台表面设有用于放置所述材料台的凹槽。

在一些实施例中，所述材料台由多个圆柱构成阶梯状，不同直径的无磁绝缘材料的圆柱用于承载不同内径的环状样品。

所述锁头部件设有温度传感器和磁场传感器中的至少一个，其与设在所述锁头部件端部的引线座连接，以用于监控所述测量杆中样品的温度和磁场中的至少一种。

本申请与现有技术相比，至少具有如下优点：

1.用无氧铜替代现有技术中的电缆，既节省了空间，又保证了性能；

2.测量端头结构精巧、拆装便利，极大方便了待测样品的检测。

本发明的其他优点将从下面参照附图对具体实施方式的描述而变得显然。

附图说明

图1A示出了根据本申请一实施例的高频测量杆的组装示意图。

图1B示出了根据本申请一实施例的高频测量杆的测量端头的剖面示意图。

图1C示出了根据本申请一实施例的测量端头的连接部件的立体透视图。

图1D示出了根据本申请一实施例的高频测量样品测量的示意图。

图2A示出根据本申请另一实施例的高频测量杆的测量端头的剖面示意图。

图2B示出根据本申请另一实施例的高频测量样品测量的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解本发明的基本原理，下面将结合附图描述本发明的一些示范性实施例。但是应理解，本发明并不局限于这些示范性实施例的精确形式，而是可以在形式和细节上进行各种改变。

图1A示出了根据本申请一实施例的高频测量杆10的组装示意图。如图1A所示，高频测量杆10可包括杆体100、测量端头200和连接端头300。测量端头200连接到杆体100的第一端，并且用于容纳待测样品，其具体结构将在后面详细描述。连接端头300连接到与第一端相对的杆体100的第二端，用于将杆体100连接到测量设备主体(未示出)。连接端头300可以采用现有技术中使用的各种结构，因此这里不再对其进行详细描述。

如图1A所示，杆体100可包括芯体110、壳体120、连接板130和隔热板140。芯体110呈细长圆柱形，可由具有良好导电性的金属或合金形成，在一些实施例中，芯体110可由两段材料焊接形成，具体地，在靠近杆体100第一端的芯体110的1/5处的这一段由良导体无氧铜或银制成，而由1/5处到靠近杆体100第二端的这一段由不锈钢制成，两段材料接触处形成有焊接点。壳体120可由两段材料焊接形成，具体地，在靠近杆体100第一端的壳体120的1/3处的这一段由良导体无氧铜或银制成，而由1/3处到靠近杆体100第二端的这一段由不锈钢制成，两段材料接触处形成有焊接点；壳体120具有中空结构，例如为中空圆柱形状。芯体110设置在壳体120的中空空间内。壳体120和芯体110可同心设置并且通过位于壳体120的中空空间中的绝缘垫圈(未示出)而彼此分隔开。因此，壳体120和芯体110可分别用作同轴电缆的屏蔽导体层和导电芯，以将高频电信号从连接端头300传输到位于测量端头200中的样品。壳体120的内径和芯体110的外径的比值的自然对数等于需要匹配的阻抗欧姆数除以60，在一些实施例中，为了实现两端50Ω的匹配传输，壳体120的内径与芯体110的外径的比值可为2.3。壳体120上还可以设置有一个或多个隔热板140以防止在杆体100的延伸方向上形成气体对流，从而有助于确保样品室的绝热效果。此外，隔热板140上还可以设置有空洞或缺口以用于在需要时固定沿杆体100延伸的导线或光纤。

杆体100的一端还设有连接板130，用于将测量端头200连接到杆体100上，在一些实施例中，可在连接板130上有通孔，在测量端头200处设有螺纹孔，从而通过螺钉螺纹孔配合的方式将测量端头200和杆体100连接起来，此种方式的连接便于测量端头200的拆装、替换等。杆体100的另一端可连接到连接端头300。测量端头200用于容纳待测样品，其具体结构将在下面详细描述。

图1B示出了根据本申请一实施例的高频测量杆测量端头200的剖面示意图。如图1B所示，测量端头200包括同轴设置的连接部件210、限位部件220、导电柱230、紧固部件240、锁头部件250、弹性部件260和引线座270。下面将详细描述各结构。

图1C示出了根据本申请一实施例的测量端头的连接部件210的立体透视图。如图1C所示，连接部件210呈两端开口的圆筒形，其一端通过连接板130与杆体100连接，另一端与紧固部件240连接；连接部件210内部设有一圆环平台211从而将连接部件210内部分为两部分，其中，远离杆体100的一部分为样品室，用于容纳待测样品，靠近杆体100的一部分用于芯体110通过，圆环平台211的内径略大于芯体110的直径，使得芯体110刚好穿过且能保持不晃动；连接部件210远离杆体100一端内壁还可设有圆环凹槽212，用于限位部件220的放置。

返回参照图1B，限位部件220与连接部件210同轴且设置在连接部件210的圆环凹槽212的平面上，限位部件220的另一端与锁头部件250相连接；限位部件220由两个内径相同、外径不同的且两端开口的圆筒形成，两个圆筒外部相接处形成台阶221用于紧固部件240的卡扣；限位部件220靠近锁头部件250的侧壁还设有具有一定轴向深度的凹槽241，用于限制导电柱230的移动方向及范围。

导电柱230呈圆柱形，设在限位部件220内部，并可部分的进入连接部件210的样品室内，从而与待测样品接触；对应限位部件220的凹槽241一端的侧壁设有凸起231，凸起231在凹槽241内可轴向往复移动，因凹槽241的限制，导电柱230仅能轴向移动而不会发生转动，同时，凹槽241的深度使得导电柱230移动的范围有限，从而不会由于过度移动而与连接部件210的圆换平台211接触。

紧固部件240呈两端开口直径不同的圆筒形，其开口直径大的一端与连接部件210连接，可通过卡接、螺钉连接等方式连接，优选地，在开口直径大的一端内侧设有内螺纹，在连接装置210处设有外螺纹，二者配合连接，这种连接方式便于拆装；开口直径小的一端穿过限位部件220小外径一端，落在限位部件220的台阶221上，从而将限位部件220卡在连接部件210的凹槽212上，对限位部件220起到限制固定作用。

锁头部件250，其一端与限位部件220连接，用于遮盖所述限位部件220开放的一端，从而将待测样品的测量环境与外界隔绝，防止待测样品受到外部因素的干扰；其另一端可连接引线座270；锁头部件250还可设有固定孔(图中未示出)，用于固定温度传感器或磁场传感器，传感器的引线连接到引线座270，并通过引线座270与测量杆10所在的腔体的电测量插座连接，从而将测得的数据传到外部，以便监控测量杆10中样品的温度或磁场相关的环境参数。

弹性部件260设在导电柱230和锁头部件250之间，通过焊接、粘结等方式与导电柱230连接。当没有待测样品放入连接部件210内时，导电柱230的凸起231受重力作用自然的落在限位部件220的凹槽241槽面上；当放入待测样品后，样品将导电柱230向上顶起，凸起231离开凹槽241槽面并在凹槽241内轴向上移，此时弹性部件260受到压缩，直至达到压缩平衡，使得导电柱230与待测样品在一定机械尺寸范围内实现良好电学接触，并保证了待测样品和导电柱230这种良好电学接触处于一个稳定的状态。

引线座270可通过机械加工或3D打印成型的方式制成，且至少含有四个针孔以便与外部器件连接，从而使得锁头部件250上的传感器测量的数据通过引线座270传到外部测量设备主体。引线座270与锁头部件250连接，可通过螺纹连接、卡接等方式连接，在一些实施例中，在引线座270处设有通孔，对应的锁头部件250设有螺纹孔，二者通过螺钉配合连接。

图1D示出了根据本申请一实施例的高频测量样品测量的示意图。如图1D所示，将待测样品两端涂上导电涂层，放入连接部件210的样品室内，将测量端头200的其他各部件连接好，此时，待测样品涂有导电涂层的两面，一面与芯体110接触，一面与导电柱230接触，芯体将连接端头300发出的高频信号施加到待测样品上，测得待测样品的电学特性，再将测得的数据从待测样品传到连接部件210的侧壁，最终通过与连接部件210连接的壳体120传回连接端头300。

图2A示出根据本申请另一实施例的高频测量杆的测量端头的剖面示意图。如图2A所示，测量端头200包括连接部件210、紧固部件240、材料台280、锁头部件250和引线座270。具体地，连接部件210一端与杆体100连接，另一端与紧固部件240连接。紧固部件240由两个直径不同的圆筒构成，两圆筒接触的地方形成圆环台，且在圆环台表面有一圆环槽，用于放置材料台280。材料台280的底部直径与圆环槽的直径相等，使得材料台280恰好卡于圆环槽内；材料台280由由无磁绝缘材料制成；在一些实施例中，材料台280可由直径不同的扁圆柱层叠出阶梯状，不同直径的圆柱层用于承载不同内径的环状样品；材料台280轴心处设有通孔，用于锁头部件250的中心柱251通过。锁头部件250与紧固部件240连接，将材料台280及待测材料封闭在锁头部件250与紧固部件240形成的空间内，给待测样品提供了稳定的环境；锁头部件250设有一中心柱251，其穿过材料台280的通孔以及紧固部件240圆环台中心从而与芯体110连接；锁头部件250另一端与引线座270连接。

图2B示出根据本申请另一实施例的高频测量样品测量的示意图。

如图2B所示，将环状待测样品套入材料台280对应的圆柱层，将测量端头200的其他各部件连接好，此时，芯体110与锁头部件250的中心柱251连接，连接端头300发出的高频信号通过芯体110施加到中心柱251上，并绕过环形待测样品，测得待测样品的磁学特性，再从连接部件210的侧壁经由壳体120传回连接端头300。

本实施例的其他部件与上一实施例相似，此处不再赘述。

综上所述，本申请以无氧铜作为芯体置入杆体内，既保证了杆体的细度，使杆体能够顺利插入测试设备中，又能保证承受测量需要的导电量，同时，本申请的高频测量杆结构拆卸便利，可替换使用不同测量端头以测量待测样品的电学特性或磁学特性，使得本申请使用灵活、便于推广应用。显然本申请为一种新颖、进步并深具实用性的新设计。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。