磁矩的量值溯源标定研究取得突破

作者: 陆俊、许志⼀、张志⾼、贺建

来源: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 71 (2022) 1006009

发布日期: 2023-02-11 13:07:30

磁矩的量值溯源标定研究取得突破,解决了磁矩测量设备中参考的磁矩标准完全依赖于镍球等实物的问题,通过电流线圈进⾏量⼦溯源,实现了磁矩计量在宏观磁性测量设备中的突破。

磁矩,是磁铁或载流体提供磁场能⼒的⼀种度量,得⾃其中所有闭合电流与回路⾯积相乘并⽮量求和。关注和应⽤好磁矩,事关我们⼿机中的时钟更加精准,让原⼦钟的磁矩不受⼲扰,事关我们更早且更加清晰的看到体内发⽣的病变,核磁共振成像,事关我们⽤上更加绿⾊⾼效的电动⻋与发电机,⾼性能稀⼟永磁电机,事关我们从源头获知太阳与地球的演化规律并对灾害进⾏预测与防范,⾏星磁天⽓。

由于未发现直接关联频标的量⼦效应,磁矩未被2019年颁布的新国际单位制列⼊量⼦基准序列,⽽且世界现⾏的磁性测量设备中参考的磁矩标准仍然完全依赖于镍球等实物。为了建⽴跟磁矩的重要性相匹配的计量⼿段,解决实物磁矩标准随温度、压⼒等环境影响的固有问题,⼀⽅⾯继续探索让磁矩关联频标的量⼦效应;另⼀⽅⾯应当尽快建⽴磁矩跟频标基准的间接关联。

自20世纪50年代以来,振动样品磁强计(VSM)被开发并⼴泛⽤于研究物质磁性,尤其是尺⼨形态受限材料的基本磁性,与磁天平和超导量⼦⼲涉仪(SQUID)等设备相⽐,VSM在磁矩测量范围、操作⽅便性和环境兼容性⽅⾯具有巨⼤优势,故⽽已成为表征磁性材料特性的标准仪器,其测量的精准度和可靠性提⾼对于磁性材料产业升级⾄关重要。

美国国家技术研究所(NIST)曾引⼊⽐较法和斜率法两种不确定度约为0.5%的VSM校准⽅法,⽐较法使⽤标准镍球等实物的饱和磁矩点作为参考对象来标定设备磁矩;斜率法使⽤磁导率2000以上磁性材料,通过磁矩与磁场的线性依赖曲线实现磁矩和外部磁场的关联标定。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼磁学国家重点实验室⻓期围绕我国稀⼟磁性材料产业升级过程中对测量设备的迫切需求,致⼒于提升材料磁性测量的精准度和⼀致性,同时攻克磁矩不能量⼦溯源等基础难题。

公共技术组陆俊副主任⼯程师⻓期从事精密磁性测量研究,运⽤⾼灵敏与⼤鞍区的振动样品磁强计探测线圈阵列的研发、锁相放⼤器等关键技术积累,与M03组许志⼀副主任⼯程师以及计量院张志⾼与贺建⾼⼯合作,在部件完全国产的振动样品磁强计中,磁矩量通过电流线圈进⾏量⼦溯源。

为了实现⾸次建⽴磁矩测量与计量通往量⼦基准的路径,让磁矩量不依赖于线圈的材质、匝数、温度与磁场的环境影响,线圈绕组匝⾯积和直流电流分别使⽤磁通计和量⼦电流标准进⾏原位标定;磁通计分别通过伏秒发⽣器和核磁共振(NMR)对磁通量和磁场进⾏标定,从⽽容易地溯源到量⼦基准;此外,电流磁矩的标定以电流差值引起磁矩变化作为依据,原位扣除掉材质等背景影响,以避免线圈材质磁性及外场对静态磁矩的影响。

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