专利名称：磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种材料科学凝聚态物理实验设备领域，尤其涉及一种磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪。
背景技术：
磁性液体是一种常温常压下，在纳米技术基础上人工合成的液态磁性功能材料。 磁性液体对外磁场具有响应，在微观上，磁性液体中的纳米颗粒会因外磁场的影响发生特定运动最终形成微米级的场致平衡态团聚体结构，进而在宏观上产生了场致物理性质的变化。磁性液体具有的弛豫性(时域变化)的场致效应之一就是磁致光透射变化。利用磁性液体磁致光透射变化测量仪(实用新型专利，专利号200320114583. 8)测量透射光及其变化来研究磁性液体微观结构和变化主要是利用了磁性液体微米级团聚结构的几何屏蔽效应(J. Li, X. D. Liu, Y. Q. Lin, et al. Appl. Phys. Lett., 91 (2007) 253108)，这种方式中磁性液体KTlOOnm量级的团聚结构及其变化并没有充分显示。实验所测得的透射光强度为直接透过的光和小角散射光强度之和，而小角散射光包含了丰富的KTlOOnm量级的团聚结构及其变化的信息，并且小角散射光有成熟的理论基础，可以很方便地对微结构尺寸、分布进行定量计算，特别是小角背散射光的测量，可避免直接透过光的影响，仅获得散射光及其变化信息，因此，分离出小角散射光并专门进行研究对磁性液体场致微观结构的研究具有重要的意义。由于磁性液体背散射光很弱，再加上室温、背景光的变化，都会影响测量的准确，因此相应的测量仪器应具有背散射光损失小、高灵敏度和高的稳定性，对磁性液体磁致背光散射及其变化的测量具有十分重要的意义。磁性液体的微观结构极为强烈地受到外加磁场的影响，除了磁场大小外还有磁场的扫描率和交变频率有关，因此电磁铁电流源及其控制系统的时域变化功能地扩充，使得控制磁场具有更多变化模式，对扩展磁性液体磁致背散射光变化的研究范围也是十分重要的。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪，该测量仪针对在由程序控制的时域变化的磁场下，磁性液体的小角背散射光变化精确测定的需要，提供减小小角背散射光损失并可排除外界干扰所引起的测量误差的精确测量系统。采用差动测量原理，设计构成了磁性液体磁致光小角背散射变化测量仪，用于测量磁场中磁性液体的小角背散射变化。本实用新型的技术方案如下一种磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪，其特征在于它由光源L、起偏器P、分光镜S、检偏器Al和A2、l/2波片W21和W22、偏振耦合镜 Cl和C2、l/4波片W41和W42、光电探头Dl和D2、电磁铁M、压控双极性电流源E、差动放大器H、测试样品TS、参考样品RS、特斯拉计T和计算机PC构成，其特征是光源L产生的一束光通过起偏器P后由分光镜S将其分为测试光束和参考光束，测试光束器件依入射方向排列为检偏器Al、l/2波片W21、偏振耦合镜Cl、l/4波片W41、电磁铁、测试样品TS，光电探头Dl对准小角背散射光在偏振耦合镜Cl上的反射方向，参考光束器件依入射方向排列为检偏器A2、l/2波片W22、偏振耦合镜C2、l/4波片W42、参考样品RS，光电探头D2对准小角背散射光在偏振耦合镜C2上的反射方向，光电探头Dl和D2的输出与差动放大器H的输入端连接，差动放大器H的输出端与计算机PC连接，特斯拉计T的探头TP固定在电磁铁M极靴间隙中，其输出端口与计算机PC连接，计算机PC输出端与压控双极性电流源E的输入端连接，压控双极性电流源E的输出端与电磁铁M连接。所述光源采用氦氖激光器，或半导体激光器，或白炽光。所述采用电压控制的双极性电流源E、特斯拉计T和计算机PC组成的闭环控制方式对电磁铁M的磁场进行精确控制。1.光路方案光源L产生一束光，通过起偏器P后由分光镜S将其分为两束光，一束为测试光束，另一束为参考光束。测试光束通过检偏器Al的调节，通过1/2波片W21调节偏振态，再通过偏振耦合镜Cl和1/4波片W41后，在磁场中的磁性液体测试样品TS中发生散射，其小角背散射光沿原路返回，通过1/4波片W41，在偏振耦合镜Cl上发生高效反射以减小散射光的损失，最后被反射的散射光由光电探头Dl探测。参考光束的光路与测试光束光路完全相同，只是在参考光路中磁性液体参考样品没有外加磁场。2.测试方案(1)在计算机控制和数据处理系统PC上编写磁场控制程序，受控的电磁铁M可实现以下基本变化①定时加磁场，定时退磁场斜体的#表示磁场强度，t表示时间，^表示加磁场时刻，t2表示退磁场时刻，伐表示所加磁场强度(可正可负，变号表示方向改变)。②特定扫描率先=(CWdi)1加磁场和毛=(cW/di)2退磁场tx表示加磁场时刻，t2表示退磁场时刻，tA (= 巧表示以扫描率之加磁场结束时刻，tR (= 巧Α2+ 2)表示以扫描率毛退磁场结束时刻，&表示设定的磁场强度(可正可负，变号表示方向改变)。③低频交变磁场[0018]H=H0cos{2Y>ft+j)H0表示磁场变化幅度，/表示磁场变化频率，J表示磁场变化初相位。④以上①②③的组合和周期重复。(2)将测试光路光电探头Dl和参考光路光电探头D2信号I” I2输入到差动放大器，其输出信号正比于两信号差D/ (=J1-J2)0当输出信号D/非常微弱，可使用高增益差动放大器准确放大测量。当外界出现干扰，如电源波动、光源波动、温度波动、环境背景光波动等，测试和参考光路光电探头信号都会出现干扰信号If,由差动放大原理，即OI = (I,+If) - (I2+If) = I1-I2从而两路信号的同步干扰信号得到抑制，保证磁性液体磁致小角背散射光变化精确地高稳定性地测量。(3)特斯拉计T的探头TP作为磁场的传感，置于磁场中测试样品旁，由特斯拉计T 的模拟输出将磁场探测数据反馈给计算机控制和数据处理系统PC，计算机控制和数据处理系统PC根据反馈数据按预定程序控制电流源E，从而控制电磁铁M产生磁场，自此形成一个控制磁场的闭合回路，保证了精确快速地变换磁场。本实用新型的优点是小角背散射光损失小，磁场控制精确并能提供丰富的磁场变化模式，测量精确抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高，能准确反映被测对象因为磁场作用带来的细微物理变化。

图1是本测量仪的结构示意图。
具体实施方式
在图1中，L 光源，一般为氦氖激光器(波长632. 8nm)或半导体激光器(波长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波片使用波长与之对应；P 起偏器；S 分光镜；Al和A2:检偏器；W21 禾口 W22 :1/2 波片；Cl和C2 偏振耦合镜；W41 禾口 W42 1/4 波片；Dl和D2:光电探测头；M 电磁铁；E 压控双极性电流源；H 差动放大器；T 特斯拉计，其探头为TP ；PC 计算机控制及数据处理系统。参加图1，本测试仪的构造和工作方式如下光源L发出一束直径约为Imm的光束，经过起偏器P得到一束偏振光，由分光镜S分为两路光，一路为测试光束，另一路为参考光束，并由两光路检偏器Al、A2分别调节两路光的强度相等。测试光路中光束再经过1/2 波片W21调整偏振态后，高透射率地透过偏振耦合镜Cl，通过1/4波片W41和电磁铁M的极靴孔(图1中磁场垂直测试样品TS面，也可以调整电磁铁M使磁场平行测试样品TS面)，在电磁铁M极靴间的样品TS上发生散射，小角背散射光经过极靴孔返回通过1/4波片W41， 此时小角背散射光偏振态发生改变，并由偏振耦合镜Cl发生高效率反射，反射光由光电探测头Dl接收。参考光路中，光束再经过1/2波片W22调整偏振态后，高透射率地透过偏振耦合镜C2，通过1/4波片W42，在参考样品RS上发生散射，背散射光返回通过1/4波片 W42，此时小角背散射光偏振态发生改变，并由偏振耦合镜C2发生高效率反射，反射光由光电探测头D2接收。测试样品和参考样品的制作工艺一致、结构尺寸一致、物理性能一致，可以互换。在没有加磁场时两路光束的小角背散射光信号强度相同，因此差动放大器H输出信号为零。可以利用检偏器Al和A2对光电信号在小范围内进行调零。测试光路中的磁场由电磁铁M产生，其产生磁场的变化模式由压控双极性电流源E按照计算机控制及数据处理系统PC预先编制好的程序进行控制。在测试样品TS旁的磁场探头TP，将磁场大小信号由特斯拉计T的模拟输出端口输出给计算机控制及数据处理系统PC，作为磁场控制程序的参数。当磁场发生变化时，磁性液体测试样品TS的小角背散射光也相应地响应磁场发生变化，光信号随之变化，在差动放大器H的输出端就有一个时域变化信号。此信号送入计算机控制及数据处理系统PC自动完成测试、显示、分析、处理、记录存盘，给出精确测量结果。
权利要求1.一种磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪，它由光源L、起偏器P、分光镜S、检偏器Al和A2U/2波片W21和W22、偏振耦合镜Cl和C2U/4波片W41和W42、光电探头Dl和 D2、电磁铁M、压控双极性电流源E、差动放大器H、测试样品TS、参考样品RS、特斯拉计T和计算机PC构成，其特征是光源L产生的一束光通过起偏器P后由分光镜S将其分为测试光束和参考光束，测试光束器件依入射方向排列为检偏器Al、l/2波片W21、偏振耦合镜Cl、 1/4波片W41、电磁铁、测试样品TS，光电探头Dl对准小角背散射光在偏振耦合镜Cl上的反射方向，参考光束器件依入射方向排列为检偏器A2、l/2波片W22、偏振耦合镜C2、l/4波片W42、参考样品RS，光电探头D2对准小角背散射光在偏振耦合镜C2上的反射方向，光电探头Dl和D2的输出与差动放大器H的输入端连接，差动放大器H的输出端与计算机PC连接，特斯拉计T的探头TP固定在电磁铁M极靴间隙中，其输出端口与计算机PC连接，计算机PC输出端与压控双极性电流源E的输入端连接，压控双极性电流源E的输出端与电磁铁 M连接。
2.根据权利要求1所述的磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪，其特征在于光源采用氦氖激光器，或半导体激光器，或白炽光。
3.根据权利要求1所述的磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪，其特征在于采用电压控制的双极性电流源E、特斯拉计T和计算机PC组成的闭环控制方式对电磁铁M的磁场进行精确控制。
专利摘要一种磁性液体磁致小角背散射光变化测量仪，光源L产生的一束光通过起偏器P后由分光镜S将其分为测试光束和参考光束，测试光束器件依入射方向排列为检偏器A1、1/2波片W21、偏振耦合镜C1、1/4波片W41、电磁铁、测试样品TS，光电探头D1对准小角背散射光在偏振耦合镜C1上的反射方向，参考光束器件依入射方向排列为检偏器A2、1/2波片W22、偏振耦合镜C2、1/4波片W42、参考样品RS，光电探头D2对准小角背散射光在偏振耦合镜C2上的反射方向，光电探头D1和D2的输出与差动放大器H的输入端连接，差动放大器H的输出端与计算机PC连接。本实用新型的优点是小角背散射光损失小，磁场控制精确并能提供丰富的磁场变化模式，测量精确抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高，能准确反映被测对象因为磁场作用带来的细微物理变化。
文档编号G01N21/49GK202159015SQ20112016584
公开日2012年3月7日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者王庆, 谢宇, 黄彦 申请人:南昌航空大学