一种非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置

本发明属于磁性测量，特别是涉及非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置。

背景技术：

1、高精度的引力波探测是基础科学领域最前沿的研究课题之一。引力波探测任务旨在验证广义相对论，揭示宇宙起源并探索空间科学的深层次机理。空间引力波探测任务的实质是以3颗探测航天器形成的大尺度正三角形编队为基础，基于激光干涉测量航天器团队因引力波信号引起的臂长变化。高精度惯性传感器为空间引力波探测的核心科学载荷之一，其组成包括机械敏感探头、电容位移传感和反馈控制电路等。电极笼作为机械敏感探头的重要组成部分，其磁稳定性上有着极高的要求，是实现高精度惯性基准，高精度仪器间距激光干涉重要部件之一。磁稳定性主要包含剩余磁矩与磁化率两项测量指标。现有的剩余磁矩测量设备中，测量仪器受限于自身的基础磁灵敏度，无法满足项目需求。在磁化率测量中，振动样品磁力计(vsm)灵敏度低。squid磁化率检测装置由于装置对低温液氮的需求，造价高达数百万美元，与低成本测量要求相悖，且必须在屏蔽条件下使用，限制了应用范围。目前空间引力波探测处于刚起步阶段，工作环境恶劣，亟需具有更广泛应用前景的非屏蔽高精度磁化率检测装置满足引力波探测电极笼材料磁化率检测的需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，将振动样品磁力仪技术与serf磁测量技术、非屏蔽技术相结合，克服现有技术中的不足，解决磁化率测量中serf状态所要求的强磁场和零磁场环境之间的固有矛盾，实现在非屏蔽条件下对于引力波探测所需电极笼材料的磁化率检测，并实现低成本、高灵敏度磁化率测量。

2、本发明是这样实现的，一种非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，该装置包括：样品磁化装置、检测装置以及上位机，其中，

3、所述样品磁化装置包括第一磁场产生结构、振动产生结构以及信号检测结构，所述振动产生结构携带样品在所述第一磁场产生结构中振动，并通过信号检测结构检测检测直流磁矩信号；

4、所述检测装置包括第二磁场产生结构以及原子磁强计，所述第二磁场产生结构通过直流磁矩信号产生磁场；

5、所述上位机根据检测装置检测的信号以及磁场产生结构产生的磁场计算样品材料磁化率。

6、进一步地，所述第一磁场产生结构包括两个垂直并平行放置的电磁铁，两个电磁铁之间具有距离。

7、进一步地，所述振动产生结构包括振动杆驱动器以及振动结构，所述振动杆驱动器驱动所述振动结构振动，所述振动结构包括振动杆与所述振动杆驱动器连接，所述振动杆的端部设置振动头，用于放置样品，所述振动杆处于两个电磁铁之间，并与两个电磁铁平行。

8、进一步地，所述信号检测结构包括四个信号检测线圈，两个为一组分别安装在两个电磁铁的相对应面上，每组信号检测线圈与另外一组对称设置，相对应的两个信号检测线圈的轴线与两个电磁铁垂直。

9、进一步地，所述四个信号检测线圈以反向极性串联，同一轴线的两个信号检测线圈绕线方向相同，两个轴线上的信号检测线圈绕线方向相反。

10、进一步地，在所述两个电磁铁磁极中心设置一霍尔传感器采集第一磁场强度信号，并将采集的第一磁场强度信号传递至上位机。

11、进一步地，所述第二磁场产生结构包括两个串联的平行的磁场产生线圈，所述原子磁强计包括设置在第二磁场产生结构之间的原子气室，与原子气室位于同一轴线的一侧设置所述分布式布拉格反射激光器，原子气室的另一侧设置光电探测器，所述分布式布拉格反射激光器与所述原子气室之间设置光学镜头，所述光电探测器的输出信号通过数据采集卡采集至上位机。

12、进一步地，所述信号检测结构通过滤波器连接所述第二磁场产生结构的两个平行的磁场产生线圈，所述滤波器包括第一滤波电路与第二滤波电路，所述第一滤波电路与第二滤波电路通过开关接入滤波器中。

13、进一步地，所述上位机，根据样品材料磁化率χm与原子磁强计采集的磁场数据ba(t)关系式，得到样品材料磁化率χm的结果，样品材料磁化率χm与磁场数据ba(t)关系式为：

14、

15、

16、其中，样品的振动轨迹为x1＝a1 sin 2πf1t，其中a1为固有振幅，f1为设定频率，单个磁场产生线圈的电感l2和电阻r2，磁场产生线圈的匝数n1，半径r2，磁场产生线圈距离的一半d1，b0为霍尔传感器检测的外磁场，单个信号检测线圈的电感l1和电阻r1，g(z)为单个信号检测线圈的灵敏度函数。

17、本发明与现有技术相比，有益效果在于：

18、本发明将振动样品磁力仪技术与serf磁测量技术、非磁屏蔽技术相结合，实现在非屏蔽条件下对于引力波探测所需电极笼材料的磁化率检测；本发明安装简便、易于维护，不需要用液氮等低温环境，价格便宜，操作要求低。

技术特征：

1.一种非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，该装置包括：样品磁化装置、检测装置以及上位机，其中，

2.根据权利要求1所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，所述第一磁场产生结构包括两个垂直并平行放置的电磁铁，两个电磁铁之间具有距离。

3.根据权利要求2所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，所述振动产生结构包括振动杆驱动器以及振动结构，所述振动杆驱动器驱动所述振动结构振动，所述振动结构包括振动杆与所述振动杆驱动器连接，所述振动杆的端部设置振动头，用于放置样品，所述振动杆处于两个电磁铁之间，并与两个电磁铁平行。

4.根据权利要求3所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，所述信号检测结构包括四个信号检测线圈，两个为一组分别安装在两个电磁铁的相对应面上，每组信号检测线圈与另外一组对称设置，相对应的两个信号检测线圈的轴线与两个电磁铁垂直。

5.根据权利要求4所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，在所述两个电磁铁磁极中心设置一霍尔传感器采集第一磁场强度信号，并将采集的第一磁场强度信号传递至上位机。

7.根据权利要求4所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，所述第二磁场产生结构包括两个串联的平行的磁场产生线圈，所述原子磁强计包括设置在第二磁场产生结构之间的原子气室，与原子气室位于同一轴线的一侧设置所述分布式布拉格反射激光器，原子气室的另一侧设置光电探测器，所述分布式布拉格反射激光器与所述原子气室之间设置光学镜头，所述光电探测器的输出信号通过数据采集卡采集至上位机。

8.根据权利要求7所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，所述信号检测结构通过滤波器连接所述第二磁场产生结构的两个平行的磁场产生线圈，所述滤波器包括第一滤波电路与第二滤波电路，所述第一滤波电路与第二滤波电路通过开关接入滤波器中。

9.根据权利要求1所述的非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，其特征在于，所述上位机，根据样品材料磁化率χm与原子磁强计采集的磁场数据ba(t)关系式，得到样品材料磁化率χm的结果，样品材料磁化率χm与磁场数据ba(t)关系式为：

技术总结
本发明提供一种非屏蔽的引力波电极笼材料磁化率检测装置，解决实验室屏蔽条件下使用应用条件苛刻的问题。该装置包括：样品磁化装置、检测装置以及上位机，其中，样品磁化装置包括第一磁场产生结构、振动产生结构以及信号检测结构，所述振动产生结构携带样品在所述第一磁场产生结构中振动，并通过信号检测结构检测检测直流磁矩信号；检测装置包括第二磁场产生结构以及原子磁强计，所述第二磁场产生结构通过直流磁矩信号产生磁场；上位机根据检测装置检测的信号以及磁场产生结构产生的磁场计算样品材料磁化率，本发明将样品磁化产生的感应电流信号转化为原子磁强计可以检测到的磁场信号，同时避免了强磁场的干扰。

技术研发人员：周志坚,陆静,孙永泽,王言章
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10