一种扫描磁探针显微镜的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种扫描磁探针显微镜，包括：低温杜瓦设置在基准平台的凹槽内，用于储存液氮以降低其内部的样品的温度；样品调平装置设置在低温杜瓦内，用于在样本放入时调节样品的高度以使该样本与基准平台保持平行状态；二维扫描平台设置在基准平台的上表面，用于调节磁探针装置的位置以使磁探针装置处于不同的检测位置；励磁磁体设置在样本调平装置的上方，且内部用于放置样本，用于为样本提供外部磁场；磁探针装置固定所述二维扫描平台上，并且悬于样品调平装置的正上方；计算模块与磁探针装置相连接，用于根据磁探针装置所检测出的磁场空间分布信息计算样品的电流密度。本发明可以无损连续检测超导带材的临界电流密度。
【专利说明】
一种扫描磁探针显微镜
技术领域
[0001] 本发明涉及材料检测技术领域，尤其涉及一种扫描磁探针显微镜，可以广泛用于 超导带材、磁性薄膜、导电薄膜等材料局部性能和缺陷检测。
【背景技术】
[0002] 超导材料由于没有电阻且可以携带大电流在例如大型电力装置等电力设备中得 到广泛应用。对于超导带、超导薄膜，其电流传输性能是反映性能的最基本参数。
[0003] 目前，普遍采取"四引线法"测量临界电流以反映超导材料的电流传输性能：即在 样品两端加载电流，观测电压信号。通过不断增加电流，观测电压的变化情况，若每厘米样 品产生1微伏的电压变化作该样品失超判据，确定超导带材的临界电流。该"四引线法"的原 理简单，广泛应用于实验室级别的长度小于l〇cm的短样品测量。但是，由于在测量中电流引 线和电压引线需要与样品接触，有可能对超导带材造成机械损伤。另外，上述方法也不方便 百米级长带的连续快速测量。
[0004] 为解决上述问题，申请为201010033688.5的中国专利申请公开了一种磁路法探测 超导带材电流传输能力的方法，利用双狭缝磁路和霍尔探头实现了对高温超导带材电流传 输能力的测量。但是，上述方法只能对带材整体性能进行测量，而对带材宽度方向则没有分 辨能力，从而无法对带材整体性能进行评价。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种扫描磁探针显微镜，用于解决现有技术 中无法局部测量超导带村而导致无法对超导带材整体评价的问题。
[0006] 第一方面，本发明提供了一种扫描磁探针显微镜，包括:二维扫描平台、基准平台、 样品调平装置、励磁磁体、低温杜瓦、磁探针装置和计算模块；
[0007] 所述低温杜瓦设置在所述基准平台的凹槽内，用于储存液氮以降低其内部的样品 的温度；
[0008] 所述样品调平装置设置在所述低温杜瓦内，用于在样本放入时调节样品的高度以 使该样本与所述基准平台保持平行状态；
[0009]所述二维扫描平台设置在所述基准平台的上表面，用于调节所述磁探针装置的位 置以使所述磁探针装置处于不同的检测位置；
[0010]所述励磁磁体设置在所述样本调平装置的上方，且内部用于放置样本，用于为所 述样本提供外部磁场；
[0011]所述磁探针装置固定所述二维扫描平台上，并且悬于所述样品调平装置的正上 方，用于在施加外部磁场时检测样本上方的磁场空间分布信息；
[0012] 所述计算模块与所述磁探针装置相连接，用于根据磁探针装置所检测出的磁场空 间分布信息计算所述样品的电流密度。
[0013] 可选地，所述二维扫描平台包括二维平台竖梁和二维平台横梁;所述二维平台竖 梁固定在所述基准平台上;所述二维平台横梁的一端设置在所述二维平台竖梁的上表面， 并且可沿着所述二维平台竖梁方向移动。
[0014] 可选地，所述二维扫描平台还包括辅助二维平台横梁，所述辅助二维平台横梁的 一端设置在所述二维平台竖梁的上表面，并且可沿着所述二维平台竖梁方向移动。
[0015] 可选地，所述磁探针装置包括至少一组探针单元，每组探针单元包括磁探针、探针 支杆以及探针基座，所述磁探针通过所述探针支杆固定在所述探针基座上，所述探针基座 设置在所述二维平台横梁或者辅助二维平台横梁的一侧，用于调节所述磁探针的检测位 置。
[0016] 可选地，所述磁探针为霍尔元件、巨磁阻元件、磁通门器件、超导量子干涉仪中的 一种。
[0017] 可选地，所述磁探针装置还包括至少一个弹性部件，所述弹性部件设置在所述探 针支杆与所述探针基座之间，用于使所述探针与样品表面保持接触。
[0018] 可选地，所述样本调平装置包括样品台基座、多个刚性连杆以及与刚性连杆一一 对应的调平螺栓、测距探头;所述多个刚性连杆的一端固定在所述样品台基座上，另一端通 过相对应的调平螺栓固定在所述基准平台上;所述测距探头固定在二维平台横梁的一侧；
[0019] 所述测距探头测量与样品台基座之间的距离，然后通过调节多个调平螺栓以调节 所述样品台基座的平整度。
[0020] 可选地，所述计算模块利用毕奥萨伐尔反卷积算法获取样品的电流密度。
[0021] 可选地，还包括传动装置，所述传动装置用于使超导长带与所述样品台基座保持 平行状态且从所述磁探针与所述励磁磁体之间通过。
[0022]可选地，所述传动装置包括第一校正轮和第二校正轮;所述第一校正轮与所述第 二校正轮设置在所述基准平台上，并且所述第一校正轮与所述第二校正轮的最低点位于同 一个水平面。
[0023]由上述技术方案可知，本发明提供了一种扫描磁探针显微镜，通过设置二维扫描 平台可以调节所述磁探针装置的位置以使所述磁探针装置处于不同的检测位置，可以检测 超导材料不同位置磁场空间分布信息以检测超导材料的局部缺陷。另外，本发明通过毕奥 萨伐尔反卷积算法超导材料的局部临界电流密度，从而反映超导材料样品内部局部质量， 为材料学研究者改善材料提供重要分析手段。
【附图说明】
[0024]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0025]图1是本发明实施例提供的一种扫描磁探针显微镜的结构示意图；
[0026]图2是图1中扫描磁探针显微镜的样品调平装置的结构示意图；
[0027] 图3是利用永磁体为样品励磁的结构示意图；
[0028] 图4是本发明实施例计算样品电流密度的流程示意图；
[0029] 图5是本发明实施例中测得的磁场空间分布信息示意图；
[0030] 图6是根据图5所示的磁场空间分布信息计算的样品电流密度的示意图；
[0031 ]图7是本发明实施例提供的一种带有弹性部件的磁探针装置的结构示意图；
[0032] 图8是本发明实施例提供的一种带有辅助二维平台横梁的二维扫描平台的结构示 意图；
[0033] 图9是本发明实施例提供的一种带有传动装置的扫描磁探针显微镜的结构示意 图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]本发明提供了一种扫描磁探针显微镜，包括:二维扫描平台、基准平台、样品调平 装置、励磁磁体、低温杜瓦、磁探针装置和计算模块；
[0036] 所述低温杜瓦设置在所述基准平台的凹槽内，用于储存液氮以降低其内部的样品 的温度；
[0037] 所述样品调平装置设置在所述低温杜瓦内，用于在样本放入时调节样品的高度以 使该样本与所述基准平台保持平行状态；
[0038] 所述二维扫描平台设置在所述基准平台的上表面，用于调节所述磁探针装置的位 置以使所述磁探针装置处于不同的检测位置；
[0039] 所述励磁磁体设置在所述样本调平装置的上方，且内部用于放置样本，用于为所 述样本提供外部磁场；
[0040] 所述磁探针装置固定所述二维扫描平台上，并且悬于所述样品调平装置的正上 方，用于在施加外部磁场时检测样本上方的磁场空间分布信息；
[0041] 所述计算模块与所述磁探针装置相连接，用于根据磁探针装置所检测出的磁场空 间分布信息计算所述样品的电流密度。
[0042] 下面结合实施例以及附图对本发明提供的扫描磁探针显微镜进行详细描述。
[0043] 如图1所示，本发明实施例中二维扫描平台包括二维平台竖梁1和二维平台横梁2。 该二维平台横梁2与二维平台竖梁1正交设置，其一端设置在二维平台竖梁1的上表面，而且 可以沿着该二维平台竖梁1的方向移动即y轴方向上移动，例如二维平台竖梁1和二维平台 横梁2之间通过滑轨连接。
[0044] 本发明中磁探针装置包括至少一组探针单元。如图1所示，本发明实施例中提供了 磁探针装置只包括一组探针单元的情况。磁探针装置包括磁探针4、探针支杆5以及探针基 座6。其中，磁探针4通过探针支杆5固定在探针基座6上。探针基座6设置在二维平台横梁2的 一侧，用于在z轴方向或者X轴方向上调节磁探针4的检测位置。
[0045] 实际应用中，磁探针4可以选用霍尔元件、巨磁阻元件、磁通门器件、超导量子干涉 仪squids中的一种。当有多个磁探针4时也可以选用上述多个不同的元器件，本发明不作限 定。
[0046] 可以看出，本发明实施例中磁探针装置与二维扫描平台相结合，可以在X轴、y轴与 z轴方向上调节磁探针4的位置，即可以在样品的表面或者样品的上方检测磁场空间分布信 息。
[0047]如图1所示，在基准平台3的设置有安装低温杜瓦11的凹槽。在该低温杜瓦11的内 部以及上方设置有样本调平装置。如图1与图2所示，本发明实施例中样本调平装置包括样 品台基座7、多个刚性连杆8以及与刚性连杆一一对应的调平螺栓9、测距探头10。每个刚性 连杆8的一端固定在样品台基座7上，另一端通过相对应的调平螺栓9固定在基准平台3上。 测距探头10固定在二维平台横梁2的一侧。该测距探头10测量与样品台基座7的不同位置之 间的距离，然后通过调节多个调平螺栓9以调节样品台基座7的平整度。平整度是指样品台 基座7表面与水平面之间的差值，该差值越小平整度越好，即样品台基座7表面越接近于水 平面。需要说明的是，本发明实施例中测距探头10与探针支杆5平行设置。
[0048]例如，本发明实施例中在样品台基座7上设置两个刚性连杆8。其中一个刚性连杆8 设置样品台基座7的第一侧，另一个刚性连杆8设置在样品台基座7的另一侧即第一侧的相 对侧，这样，可以在第一侧低于第二侧时，通过调高第一侧使两侧保持水平，或者降低第二 侧使两侧保持水平。当然，刚性连杆8与调平螺栓9的数量也可以设置3组、4组甚至更多，本 发明不作限定。
[0049] 如图2所示，在样品台基座7上还设置有励磁磁体12。在该励磁磁体12的上方设置 有样品架13。样品架13上方放置样品14,并且在该样品架13上还设置有电极15,用于向放置 在样品架14上的样品励磁。该励磁磁体12采用铜线绕制而成，当然也可以采用其他金属或 者其他装置实现，本发明不作限定。
[0050] 本发明实施例中对样品进行励磁的方式包括：
[0051] (1)在样品没有降温的情况下，向励磁磁体12通电以产生磁场;之后向低温杜瓦11 内注入液氮。当液氮浸没样品且样品实现超导时，撤掉磁场即停止向励磁磁体12通电。需要 说明的是，在本方法中需要励磁磁体12在样品处产生至少大于样品的穿透磁场幅值一倍的 磁场。样品可以是超导带材，如高温超导导线。高温超导带材穿透磁场可以利用Jc*d的公式 估算。其中，Jc为超导带材的电流密度，d为超导带材的厚度。此时样品上会感应出超导环 流，在这种情况下再利用磁探针4进行磁场二维扫描。
[0052] (2)在样品实现超导的情况下，施加样品的穿透磁场幅值的2倍的穿透磁场，然后 再撤去磁场。此时样品上会感应出完全穿透超导环流（即样品边缘到样品中心位置都有感 应电流），在这种情况下利用磁探针4开始磁场二维扫描。高温超导带材穿透磁场可以利用 Jc*d的公式估算，其中，Jc为超导带材的电流密度，d为超导带材的厚度。
[0053] (3)在样品实现超导的情况下，施加小于样品的穿透磁场幅值的1倍穿透磁场的外 加磁场。然后从小到大调节外加磁场强度，样品上会感应出自外向内（样品的边缘到样品的 中心位置)穿透的超导环流。屏蔽外加磁场，在这种情况下利用磁探针4开始磁场二维扫描。
[0054] (4)在样品实现超导的情况下，如图3所示，利用一个永磁体在样品的上方对该样 品进行励磁。该永磁体的表面磁场大于样品的穿透磁场幅值的2倍，且永磁体面积需要大于 样品的面积以覆盖样品。
[0055] (5)在样品实现超导的情况下，通过电极15为样品输入电流进行励磁。通过调整电 流大小可以观测到磁通穿透过程。在这种情况下利用磁探针4开始磁场二维扫描。
[0056] 本发明中当磁探针4检测到样品周围的磁场空间分布信息时还需要对该信息进行 处理，以获取到用户比较熟悉的电流密度的形式表示。例如，本发明一实施例中采用第(2) 种励磁方式对样品进行励磁，然后利用如图4所示的毕奥萨伐尔反卷积算法计算样品的电 流密度情况。当样品为宽1〇_、长3cm的超导带材时在不同的叠放条件下进行测试得到如图 5所示的磁场空间分布信息示意图，当计算模块获取到二维磁场空间分布信息时，设定z轴 距离且设定傅立叶变换时xy分辨率，对二维磁场空间分布信息进行傅立叶变换以将实空间 的数据对应到K空间中。在K空间进行毕奥萨伐尔逆运算，然后再进行傅立叶逆变换以实现 将K空间的数据映射到实空间，之后判断电流分布即判断样品内部是否平衡以及边缘是否 陡峭，如果不满足，则重新设定傅立叶变换时xy分辨率重新判断。如果满足，则计算所得电 流产生磁场与实际励磁磁场是否在误差限内，如果不在误差限内，则重新设定z轴距离重复 上述步骤，如果在误差限内，则输出二维电流密度分布数据，最后得到如图6所示的电流密 度示意图。
[0057]需要说明的是，本发明实施例中毕奥萨伐尔算法采用以下公式实现：
[0060] 式（1)与（2)中，bz、jx、jy是距离样品表面高度为z的磁场B z、电流Jx、电流Jy的傅立 叶变换形式，kx、ky是傅立叶空间坐标，々 = 是虚数单位，e是自然对数的底数，μ〇 是真空磁导率。
[0061] 可见，本发明中只需要测量样品表面各处的Bz(x，y)即可利用式（1)与（2)样品各 处的 Jx(x，y)、Jy(x，y)。
[0062] 为进一步提高检测精度，如图7所示，本发明一实施例中磁探针装置还包括至少一 个弹性部件16。每个弹性部件16设置在探针支杆5与探针基座6之间，通过调节探针基座6可 以使磁探针4与样品保持接触。当样品移动时，弹性部件16可以使磁探针4与样品始终保持 接触状态。该弹性部件16可以为弹簧，该弹簧的一端固定在探针基座6上，另一端固定在探 针支杆5上，该弹簧的外面还设置有空心管，在探针支杆5受到外力时可以收缩到空心管的 内部。当去掉外力时，弹簧可以将探针支杆5从空心管内弹出。通过调节施加到弹簧上面的 外力，可以使磁探针4与样品之间保持接触状态，这样就可以检测到样品表面的磁场分布信 息。
[0063] 为缩短检测时间，本发明一实施例中二维扫描平台在包括二维平台竖梁1和二维 平台横梁2的情况下，如图8所示，还包括辅助二维平台横梁2'。该辅助二维平台横梁2'的一 端设置在二维平台竖梁1的上表面，并且可沿着二维平台竖梁方向即y轴方向移动。然后与 在该辅助二维平台横梁2'设置磁探针4,从而可以采用两个磁探针同时检测样品的磁场空 间分布信息，缩短检测时间。当然，也可以设置多个辅助二维平台横梁，这样采用多个磁探 针进行测量。
[0064] 当检测的样品比较长时需要测量多次，为减少测量次数，本发明一实施例中提供 的扫描磁探针显微镜还包括传动装置，该传动装置用于使超导长带与样品台基座保持平行 状态且从磁探针4与励磁磁体12之间通过。如图9所示，该传动装置包括两个校正轮（即第一 校正轮17 '与第二校正轮17 '），第一校正轮与第二校正轮设置在基准平台上，并且第一校正 轮与第二校正轮的最低点位于同一个水平面以使样品从磁探针4与励磁磁体12之间通过。 另外该传动装置还包括两个传输轮17,用于为样品提供外力以使样品在样品从磁探针4与 励磁磁体12之间移动。
[0065]需要说明的是，本发明中上述辅助二维平台横梁、弹性部件以及传动装置可以随 意组合所得到的显微镜同样可以解决本发明所要解决的技术问题，达到相应的技术效果。 因此，上述组合得到的技术方案同样落入本发明的保护范围之内。
[0066]在本发明中，术语"第一"、"第二"、"第三"仅用于描述目的，而不能理解为指示或 暗示相对重要性。术语"多个"指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
[0067]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发 明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求 所限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种扫描磁探针显微镜，其特征在于，包括：二维扫描平台、基准平台、样品调平装 置、励磁磁体、低温杜瓦、磁探针装置和计算模块； 所述低温杜瓦设置在所述基准平台的凹槽内，用于储存液氮以降低其内部的样品的温 度； 所述样品调平装置设置在所述低温杜瓦内，用于在样本放入时调节样品的高度以使该 样本与所述基准平台保持平行状态； 所述二维扫描平台设置在所述基准平台的上表面，用于调节所述磁探针装置的位置以 使所述磁探针装置处于不同的检测位置； 所述励磁磁体设置在所述样本调平装置的上方，且内部用于放置样本，用于为所述样 本提供外部磁场； 所述磁探针装置固定所述二维扫描平台上，并且悬于所述样品调平装置的正上方，用 于在施加外部磁场时检测样本上方的磁场空间分布信息； 所述计算模块与所述磁探针装置相连接，用于根据磁探针装置所检测出的磁场空间分 布信息计算所述样品的电流密度。2. 根据权利要求1所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述二维扫描平台包括二维 平台竖梁和二维平台横梁;所述二维平台竖梁固定在所述基准平台上;所述二维平台横梁 的一端设置在所述二维平台竖梁的上表面，并且可沿着所述二维平台竖梁方向移动。3. 根据权利要求2所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述二维扫描平台还包括辅 助二维平台横梁，所述辅助二维平台横梁的一端设置在所述二维平台竖梁的上表面，并且 可沿着所述二维平台竖梁方向移动。4. 根据权利要求2或者3所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述磁探针装置包括 至少一组探针单元，每组探针单元包括磁探针、探针支杆以及探针基座，所述磁探针通过所 述探针支杆固定在所述探针基座上，所述探针基座设置在所述二维平台横梁或者辅助二维 平台横梁的一侧，用于调节所述磁探针的检测位置。5. 根据权利要求4所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述磁探针为霍尔元件、巨 磁阻元件、磁通门器件、超导量子干涉仪中的一种。6. 根据权利要求4所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述磁探针装置还包括至少 一个弹性部件，所述弹性部件设置在所述探针支杆与所述探针基座之间，用于使所述探针 与样品表面保持接触。7. 根据权利要求2所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述样本调平装置包括样品 台基座、多个刚性连杆以及与刚性连杆一一对应的调平螺栓、测距探头;所述多个刚性连杆 的一端固定在所述样品台基座上，另一端通过相对应的调平螺栓固定在所述基准平台上； 所述测距探头固定在二维平台横梁的一侧； 所述测距探头测量与样品台基座之间的距离，然后通过调节多个调平螺栓以调节所述 样品台基座的平整度。8. 根据权利要求1所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述计算模块利用毕奥萨伐 尔反卷积算法获取样品的电流密度。9. 根据权利要求1所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，还包括传动装置，所述传动 装置用于使超导长带与所述样品台基座保持平行状态且从所述磁探针与所述励磁磁体之 间通过。10.根据权利要求9所述的扫描磁探针显微镜，其特征在于，所述传动装置包括第一校 正轮和第二校正轮;所述第一校正轮与所述第二校正轮设置在所述基准平台上，并且所述 第一校正轮与所述第二校正轮的最低点位于同一个水平面。
【文档编号】G01Q60/50GK106093476SQ201610425247
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】顾晨
【申请人】北京原力辰超导技术有限公司