[发明专利]基于磁致伸缩与螺旋结构石英摆线复合机理的隔微振装置

说明书

本发明基于磁致伸缩与螺旋结构石英摆线复合机理的隔微振装置属于隔微振技术领域；该装置由第一级摆、第二级摆和致动器组成；第一级摆由外部支撑结构、第一石英丝、第一测试质量和上连接件构成；第二级摆由第一测试质量、上连接件、复合摆丝、第二测试质量和下连接件构成；致动器由复合摆丝和驱动装置构成；所述复合摆丝包括第二石英丝和涂敷在第二石英丝表面的超磁致伸缩材料涂层，第二石英丝表面刻蚀有截面为矩形的螺旋沟槽，驱动装置包括上导磁体、永磁体、驱动线圈、骨架和下导磁体；本发明不仅能够实现主动隔振的技术目的，而且具有系统简化、高度集成、高灵敏度的技术优势，同时提高了对低频振动的振动效果，以及致动器的灵敏度。

技术领域

本发明属于隔微振技术领域。

技术背景

在超精密测量仪器领域，如扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)、全息干涉仪和共焦显微镜等具有高测量灵敏度、重复性和测量不确定度的精密科学仪器，在各领域中的需求极大，但是在自然环境中即便是幅频微小的振动都会干扰此类精密仪器的测量灵敏度、重复性和不确定度，即随着仪器精度的日益提高，外部环境的振动噪声对仪器精度的影响越来越大，在抑制超低频的振动干扰信号方面，隔微振技术已经成为限制仪器精度进一步提升的瓶颈。在大科学工程中的若干系统，如引力波探测、暗物质探测、强磁场和脉冲星形成研究等均需要一个良好的低振动环境保障。其主要困难在于被测信号相对于环境振动噪声显得特别微弱，因此对环境振动的隔离提出了非常高的要求，特别是地面振动的影响。如果缺少超低频隔振系统，引力波探测仪所接受到的有用信号将会被湮没在噪声当中，必须对地脉动噪声进行有效的隔离。超低频(0.1Hz以下)隔微振技术成为以上领域的研究热点和难点。

随着超精密仪器对环境振动噪声的抑制要求越来越高，单摆作为最简单的水平隔振系统，增加摆长L可以增加系统的隔振性能，但是由于单摆的悬线具有一定的质量，在一定张力下如果受到横向扰动，就会产生所谓的弦模共振。弦模共振限制了单摆的长度。为使其在低频具有更好的隔振性能(Tunable inverse pendulum vibration isolationsystem.美国专利公开号：US7543791B2)。该方法将单摆与弹簧结合构成倒摆摆组件，对称分布在方形隔振平台的两边，结构简单、工作可靠、不需要消耗外部能源提升了其隔振性能，该方法存在的问题在于：仅仅采用被动隔振系统，很难进一步提高低频隔振性能。

在引力波探测中，单摆作为最简单的水平隔振系统，是激光干涉引力波探测器(LIGO)中不可缺少的部分。为使其在超低频(0.1Hz以下)方面具有更好的隔振性能，美国的Advanced LIGO项目采用了四级复合摆隔振系统，参见文献(Advanced ligo[J].Classicaland quantum gravity)；意大利的VIRGO(臂长为3km的激光干涉仪引力波探测器)研制了9级复合摆隔振系统SA(Super-Attenuator)，参见文献(First results on the electroniccooling of the Pisa seismic noise super-attenuator for gravitational wavedetection)、(First results from the Pisa seis-mic noise super-attenuator forlow frequency gravitational wave detection)。以上方法通过使用多级单摆串联和主动隔振的原理，进一步提升了低频隔振性能。然而，这些方法还存在以下问题：第一、致动器和传感器设备在悬挂摆第一级和第二级单摆的测试质量上，很难对其底部测试质量(被隔振元件)进行快速有效缓冲隔振，且由于安装多个传感器和致动器，结构装置复杂，对初步安装调试依赖性很强。第二、在测试质量上放置传感器，同时会引入了热噪声等一些低频噪声。