[实用新型]一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于软X射线谱学显微成像(STXM)的原位磁场系统。

背景技术

上海同步辐射STXM实验站具有高空间分辨和高化学态分辨能力，是纳米尺度下的结构和功能研究的有力工具。STXM实验站采用波荡器光源，满足科研对偏振可调性能(线偏振、圆偏振)的需求，是开展X射线磁圆二色成像(XMCD)的理想平台。

磁性材料对左旋和右旋的偏振光具有不同的吸收能力，这种二色性现象被称之为X射线磁圆二色。例如对于铁磁性材料，其原子的3d能带(量子理论认为电子按照能级进入轨道排列，能级俗称电子亚层，其中M层有3s、3p和3d能级。单个原子的能级是分立的，当固体中多个原子紧密排列时，由于原子间的相互作用，原子来同一大小的能级这时彼此数值上就有小的差异。例如3d能级就分裂成一系列和3d能级很接近的大量新能级，这些新能级被称为3d能带)自旋向上和向下的电子数不同，当入射X射线的能量恰好为2P到3d能级差时，由于跃迁选择定则的限制，X射线左右旋圆偏振光的吸收将产生变化，出现XMCD现象。利用STXM成像技术和XMCD效应，可以实现磁性薄膜的磁畴测量，用于研究合金材料或者磁性多层膜元素间的磁性耦合机制，具体来说，当入射X射线能量在材料的吸收边时，由于XMCD效应会产生不同的信号，因此在X射线成像中会产生不同的衬度。不同的元素具有不同的吸收边，通过调节X射线的能量，可以测量同一样品同一位置不同元素的磁畴，因此可以利用X射线显微成像来研究合金等复杂材料和磁性多层膜中的不同元素之间的磁性耦合。例如利用XMCD技术对Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al材料中Co和Fe进行磁畴成像，发现Co和Fe的磁畴中亮暗是完全一致的，这说明Co原子和Fe原子的磁矩是铁磁耦合。

外加磁场是研究磁性耦合和起源的一种重要方法，比如在研究铁/氧化镍双层膜交换耦合特性时，改变外磁场的大小和方向会使畴壁发生运动，可以研究界面交换耦合机制；增加脉冲磁场可以使纳米磁涡旋极性发生翻转，用于研究磁涡旋动力学行为。产生磁场的装置包括线圈、电磁铁，超导磁铁等，采用的方式与实验目的有关。

例如，为了研究镍铁合金涡旋核位置随外磁场改变，需要在STXM实验站样品侧面增加一个电磁铁，其中，样品在同步辐射STXM实验腔内距前端法兰2cm，距右侧面激光干涉仪的挡板2cm，距左侧观察窗30cm。因此，为了满足空间限制，工作人员设计如下电磁铁，该磁铁为单极头柱状电磁铁，柱体长10cm，直径为3cm，极头长1cm，直径为0.8cm，这种单极头柱状电磁铁能够提供的最大磁场为300Gs。

上述单极头柱状电磁铁虽然设计简单、占用空间较少，能够满足基本实验需要，然而，从这种单极头柱状电磁铁的极头出来的磁场很容易扩散到空间中，并且逐渐递减，从而使得到达样品处的磁场小，且分布不均匀，进而使得STXM实验站无法表征更多的磁性材料及结构，并且使得STXM实验的准确性和可重复性较低。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，以提高STXM实验站样品处的磁场强度和均匀性。

本实用新型所述的一种用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统，其包括：

通过一万向磁力表座安装在一真空腔体内的电磁铁，其包括：

由相互平行设置的上水平磁铁板和下水平磁铁板、以及连接在所述上水平磁铁板和下水平磁铁板之间的竖直磁铁板构成的U型框架；

从所述上水平磁铁板的下表面向下延伸的上极头；

从所述下水平磁铁板的上表面向上延伸的铁芯，其顶端具有与所述上极头位置相对的下极头，该下极头与所述上极头间隔开以供外部样品设置在该上、下极头之间；以及

绕制在所述铁芯外缘的线圈；以及

用于向所述电磁铁供电的直流电源。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，还包括用于监测所述电磁铁温度的温度监控器。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述温度监控器设置在所述真空腔体外部，并通过热偶导线与所述线圈连接。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，还包括安装在所述真空腔体内底面上的供所述万向磁力表座吸附于其上的支撑铁板。

在上述的用于软X射线谱学显微成像的原位磁场系统中，所述万向磁力表座具有用于供所述电磁铁支撑于前端的万向支臂。