永磁体

近日，来自中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院沈阳应用生态研究所、中国科学技术大学、法国蓝海岸大学法国滨海大学的联合研究团队发表了一种基于法拉第旋转光谱的、采用环形阵列永磁体NO2传感器。Recently, the joint research team from Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, HFIPS, Chinese Academy of Sciences, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China, and Université du Littoral Cô te d’Opale published a NO2 Sensor Based on Faraday Rotation Spectroscopy Using Ring Array Permanent Magnets.法拉第旋转光谱（FRS）通过检测沉浸在外部纵向磁场中的气体介质所引起的线偏振光偏振状态的变化，从而实现对顺磁分子的高选择性和高灵敏度检测。该光谱检测方法对水汽、CO2等抗磁性分子具有天然的免疫力，这使得其表现出高度的样品特异性。同时，由于采用了一对相互接近正交的偏振器极大抑制了激光噪声，因此法拉第旋转光谱具有非常高的检测灵敏度。Farraday Rotational Spectroscopy (FRS) achieves highly selective and sensitive detection of paramagnetic molecules by detecting the changes in polarization state of linearly polarized light induced by the gas medium immersed in an external longitudinal magnetic field. This spectroscopic detection method exhibits inherent immunity to diamagnetic molecules such as water vapor and CO2, which results in a high degree of sample specificity. Additionally, the implementation of a pair of closely spaced orthogonal polarizers effectively suppresses laser noise, thus providing FRS with a very high detection sensitivity.通常情况下，使用螺线管提供纵向磁场来产生磁光效应。然而，这种方法存在功耗过大和易受电磁干扰的缺点。研究团队提出了一种基于钕铁硼永磁体环形阵列和Herriott多次通过吸收池相结合的新型FRS方法。根据磁场的空间分布特性，使用14个相同的钕铁硼永磁体环以非等距形式组合，产生纵向磁场。在长度为380毫米的范围内，平均磁场强度为346高斯。宁波海尔欣光电科技有限公司为该项目提供了前置放大制冷一体型碲镉汞红外探测器（HPPD-B-08-10-150 K)，项目团队使用量子级联激光器以40毫瓦的光功率，针对最佳的441 ← 440 Q支氮氧化物跃迁（1613.25 cm–1，6.2 μm）。与Herriott多次通过吸收池耦合，积分时间为70秒，实现了0.4 ppb的最低检测限。实验结果也表明，低功耗FRS二氧化氮传感器有望发展成为一个稳健的现场可部署的环境监测系统。Usually, a solenoid coil is used to provide a longitudinal magnetic field to produce the magneto-optical effect. However, such a method has the disadvantages of excessive power consumption and susceptibility to electromagnetic interference. The research team proposed a novel FRS approach based on a combination of a neodymium iron boron permanent magnet ring array and a Herriott multipass absorption cell is proposed. A longitudinal magnetic field was generated by using 14 identical neodymium iron boron permanent magnet rings combined in a non-equidistant form according to their magnetic field’s spatial distribution characteristics. The average magnetic field strength within a length of 380 mm was 346 gauss. HealthyPhoton Co.,Ltd provided an integrated TE-cooled mercury cadmium telluride (MCT) infrared detector with front-end amplification(HPPD-B-08-10-150 K) for this project. A quantum cascade laser was used to target the optimum 441 ← 440 Q-branch nitrogen dioxide transition at 1613.25 cm–1 (6.2 μm) with an optical power of 40 mW. Coupling to a Herriott multipass absorption cell, a minimum detection limit of 0.4 ppb was achieved with an integration time of 70 s. The low-power FRS nitrogen dioxide sensor proposed in this work is expected to be developed into a robust field-deployable environment monitoring system.静态磁场法拉第旋转光谱传感装置Static magnetic field Faraday rotation spectral sensing device海尔欣前置放大制冷一体型碲镉汞红外探测器（HPPD-B-08-10-150 K)Integrated preamplifier and cryocooler type mercury cadmium telluride (MCT) infrared detector环形阵列永磁体及其纵向磁场分布特征Circular array permanent magnets and their longitudinal magnetic field distribution characteristics(a) 对于等距离的NdFeB永磁环阵列，模拟得到了中央纵向磁场的分布情况。(b) 对于非等距离的NdFeB永磁环阵列，模拟得到了中央纵向磁场的分布情况（黑线），并进行了实测（红线）。(c) 示意图显示了Herriott腔和非等距离的NdFeB永磁环阵列的配置。(a) Simulated distribution of the central longitudinal magnetic field for an equidistant NdFeB permanent magnet ring array (b) simulated (black line) and measured (red line) distributions of the central longitudinal magnetic field for a non-equidistant NdFeB permanent magnet ring array (c) schematic configuration of the Herriott cell and the non-equidistant NdFeB permanent magnet ring array.法拉第旋转光谱信号及其信噪比与检偏器偏转角度的变化关系The Relationship between FRS signal and its SNR and the Deflection Angle of the Polarizer(a) 法拉第旋转光谱信号幅度(b) SNR作为分析器角度α的函数(a) FRS signal amplitude and (b) SNR as a function of the analyzer angle α.Reference:Yuan Cao, Kun Liu, Ruifeng Wang, Xiaoming Gao, Ronghua Kang, Yunting Fang, Weidong Chen，NO2 Sensor Based on Faraday Rotation Spectroscopy Using Ring Array Permanent Magnets, Anal. Chem. 2023, 95, 2, 1680–1685https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c04821Copyright © 2023 American Chemical Society

图1. 热变形前后磁体的X射线衍射图谱图2. 热变形磁体的扫描电子显微镜照片当前使用的稀土永磁体其制备方法主要有粘接、烧结和热变形三种。粘接磁体的能量密度较低，烧结磁体虽然性能优异，但制备工艺相对比较复杂。相比之下，热变形磁体具有能量密度高、抗腐蚀性能好、工艺简单、生产效率高的优点。因此，热变形磁体的研究进展一直受到学术界和企业界的高度关注。目前，国内制备的热变形磁体的磁性能与国际上相比仍存在较大差距，这一差距首先体现在矫顽力和磁能积两个方面。而且对于热变形磁体而言，磁能积的提高通常会显著降低材料的矫顽力，这两个性能指标犹如鱼和熊掌一样不可兼得。这成为近几年来制约热变形磁体发展的主要因素之一。为了提高热变形磁体的磁性能，磁材事业部永磁团队热压小组群策群力，提出了多项措施方案，并积极开展尝试。目前他们已经成功制备了磁能积为47.3 MGOe、矫顽力达16.17 kOe的高性能热变形磁体以及矫顽力达22.7 kOe、磁能积为37.8 MGOe的高矫顽力热变形磁体。图1给出了热变形磁体变形前后的的X射线衍射图谱。从中我们可以清楚地看出，热变形之后，磁体的(004)、(006)和(008)三组同族晶面以及(105)晶面的强度大大增强，说明在热变形过程中这些晶面发生了明显的择优取向生长。图2给出了热压磁体轴向断面的扫描电子显微镜(SEM)照片。可以看出，热变形后磁体中存在大量规则排列的片状Nd-Fe-B纳米晶，其厚度约为80nm。这些纳米晶的片层面对应XRD图谱中衍射峰强度加强的晶面，即Nd-Fe-B晶粒中发生择优取向生长的晶面。由于工艺优化后磁体内片状晶的变形程度增大，取向更加一致，从而导致磁体的性能得到了大幅度提升。该研究的部分结果已发表在Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Applied Physics等期刊上，当前最新工作进展的2篇论文也被第56届国际磁学与磁性材料大会接收。

英国和奥地利科学家在最新一期《先进科学》杂志上撰文指出，在铁—镍合金中添加适量磷元素，有望制造出四方镍纹石，后者的磁性使其成为替代用于风力涡轮机和电动汽车等领域的高性能稀土永磁材料的主要候选者。最新研究或意味着无需任何专门处理或昂贵技术，就可大规模人工生产四方镍纹石。　　高性能磁体是打造零碳经济的关键技术，但目前最好的永磁体都含有稀土元素。最新研究负责人、剑桥大学材料科学与冶金系林赛格里尔教授表示：“开采稀土矿藏活动极具破坏性，必须使用大量材料才能提取出少量稀土，我们亟待找到不需要稀土的替代材料。”　　四方镍纹石是一种具有特殊有序原子结构的铁—镍合金，是高性能磁体最有前途的替代品之一。它历时数百万年才形成，在漫长的岁月中，随着陨石慢慢冷却，在晶体结构内，铁和镍原子按特定堆叠顺序排列，最终形成这种磁性接近稀土磁体的“宇宙磁体”。　　20世纪60年代，科学家通过用中子轰击铁—镍合金，使原子形成所需有序堆叠，人工制造出四方镍纹石，但这种技术不适合大规模生产。此后尽管历经多年尝试，科学家们仍无法以接近工业规模的方式生产四方镍纹石。　　在最新研究中，科学家通过在铁—镍合金中添加少量磷，在实验室内制造出了四方镍纹石。格里尔说：“不需要特殊处理，只需将合金熔化，倒入模具中，我们就得到了四方镍纹石。陨石中存在的磷使铁和镍原子移动更快，将四方镍纹石的形成速度提高11到15个数量级，使其借助简单铸造方法在几秒钟内形成，而无需等待数百万年形成的有序堆积”。