DISPOSITIVO Y MÉTODO DE SENSADO DE MATERIALES MAGNÉTICOS.

Dispositivo y método de sensado de materiales magnéticos.

La invención hace referencia a un dispositivo y a un método de sensado de materiales magnéticos basados en el principio de levitación diamagnética.

El dispositivo comprende un sistema de imanes permanentes donde, al menos uno de ellos, se encuentra en posición levitante de equilibrio estable, por medio de la presencia de al menos un elemento diamagnético, y donde se somete una muestra magnética bajo estudio a la acción del sistema de imanes del dispositivo. El método de la invención permite medir con precisión campos magnéticos débiles, mediante un dispositivo de menor complejidad que los magnetómetros existentes en el estado de la técnica, y que implica, además, costes de fabricación bajos.

DISPOSITIVO Y MÉTODO DE SENSADO DE MATERIALES MAGNÉTICOS

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método basados en levitación diamagnética, destinados preferentemente al sensado de muestras de materiales magnéticos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Dentro del campo perteneciente a la medición de cantidades muy pequeñas de materiales magnéticos, hoy en día existen diversos aparatos capaces de medir con precisión campos magnéticos débiles presentes en muestras bajo estudio. Principalmente, dichos aparatos se basan en la tecnología de sistemas SQUID (del inglés “superconducting quantum interference devices”, o dispositivos superconductores de interferencia cuántica) , que permiten medir muestras con campos magnéticos de hasta 10-18

Tesla, siendo hoy en día los magnetómetros más sensibles conocidos. Si bien los citados dispositivos SQUID presentan una gran precisión en la medida de campos magnéticos, su utilización se realiza en condiciones técnicas muy exigentes, ya que, para su correcto funcionamiento, necesitan incorporar un sistema de refrigeración 25 criogénico asociado, lo que aumenta notablemente los costes de adquisición de este tipo de aparatos, que actualmente se aproxima los 300.000 ? por dispositivo. Otros magnetómetros más recientes, como por ejemplo los basados en dispositivos SERF (del inglés, “spin exchange relaxation-free devices”,

dispositivos basados en intercambio de spin sin relajación) permiten también medir campos magnéticos muy débiles, sin recurrir a condiciones criogénicas, aunque sólo pueden operar a campos prácticamente nulos, sin posibilidad de medir campos de mayor intensidad, y sus condiciones de uso también son técnicamente exigentes, ya que requieren el calentamiento previo de un vapor de metal alcalino, así como un medio destinado a tal fin asociado al magnetómetro, lo que de nuevo incrementa notablemente los costes de producción y venta de estos aparatos.

A la luz de los problemas anteriormente referidos que plantea actualmente el estado de la técnica, se hace necesario desarrollar, pues, alternativas técnicas dentro del campo de la invención, que consigan medir con precisión campos magnéticos débiles (aunque no necesariamente campos muy próximos a cero, como en el caso de los magnetómetros SERF) , cuyos requisitos de funcionamiento no lleven asociados procesos previos al sensado técnicamente complejos (como la obtención de temperaturas criogénicas o el calentamiento de los átomos de sensado) , y que además impliquen costes de fabricación y adquisición bajos. La presente invención está orientada a satisfacer dicha necesidad.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

La presente invención está destinada a obtener magnetómetros de precisión para la medida de campos magnéticos débiles asociados a muestras bajo estudio. Dicho objetivo se alcanza mediante un dispositivo de sensado de materiales basado en los principios de levitación diamagnética, que comprende: -un primer imán situado en una posición fija;

- un segundo imán levitante en equilibrio estable, suspendido bajo el efecto del campo magnético del primer imán, y configurado para interaccionar magnéticamente con una muestra de material magnético

objeto del sensado;

- al menos, un elemento diamagnético, situado a una distancia fija del primer imán, encontrándose dicho elemento diamagnético bajo la acción del campo magnético del primer imán y del segundo imán levitante;

- al menos, un sensor de la posición del segundo imán levitante y/o un sensor del campo magnético al que se encuentra sometido el segundo imán levitante.

El término “fijo”, referido a una posición o a una distancia entre elementos del dispositivo de la invención, ha de interpretarse como 10 aquella posición o distancia que no presenta variaciones con relación a dichos elementos.

El término “levitante en equilibrio estable” ha de interpretarse, en el presente documento, como un estado de suspensión en el espacio que se mantiene estable, incluso bajo la presencia de pequeñas perturbaciones externas. Mediante la presente invención se consigue un dispositivo de gran sensibilidad a las propiedades magnéticas de las muestras bajo estudio, comparable a la que poseen los detectores SQUID o SERF, y que presentan una mayor simplicidad en el diseño de sus componentes, al no requerir condiciones de superconductividad en su funcionamiento (con la exigencia de baja temperatura que ello conlleva) y sin necesidad de un calentamiento previo de vapor de sensado de los dispositivos SERF. En una realización preferente de la invención, el dispositivo comprende una bobina para el control de la posición del segundo imán levitante. Se consigue con ello una mayor precisión en las condiciones del sensado, pudiendo, mediante la generación de un campo magnético inducido en la bobina, modificar la distancia entre el imán levitante y la muestra magnética bajo estudio según las necesidades del usuario.

En otra realización preferente de la invención, el dispositivo de 30 sensado comprende un generador de corriente configurado para generar, mediante su conexión a la bobina, un campo magnético variable de frecuencia igual a la frecuencia de resonancia mecánica del segundo imán levitante. Se consigue con ello un dispositivo sensible a la variación de la posición del imán levitante en función de su frecuencia de resonancia, lo que proporciona una precisión en la detección de muestras magnéticas al menos 100 veces superior a la sensibilidad de los detectores SQUID comerciales.

En una realización preferente adicional de la invención, el sensor del campo magnético es un sensor de efecto Hall. Se consigue con ello un medio efectivo para la detección del campo magnético al que se encuentra sometido el segundo imán levitante. En una realización preferente de la invención, el sensor de posición del segundo imán levitante es un sensor óptico. Se consigue con ello una alternativa al sensor Hall que también proporciona una gran efectividad en la medida de la posición y el campo magnético del imán levitante.

En una realización más de la invención, el sensor del campo magnético comprende un voltímetro que registra las variaciones en la medida del sensor. Se consigue con ello un medio para estimar las propiedades magnéticas de la muestra por medio de la variación máxima registrada en dicho sensor por la presencia de los elementos magnéticos del dispositivo. En otra realización preferente de la invención, el elemento diamagnético posee forma de lámina. Se consigue con ello una gran estabilidad en la posición del imán levitante. En una realización alternativa de la invención, el dispositivo de sensado comprende dos elementos diamagnéticos. Se consigue con ello una configuración que proporciona una gran estabilidad en la configuración de equilibrio de la posición del imán levitante.

En otra realización de la invención, el segundo imán levitante y la muestra de material magnético bajo estudio se encuentran situados a una 30 distancia preferentemente comprendida entre 1 y 10 mm. Se consigue con ello una sensibilidad de medida suficiente para que el sensor de campo magnético pueda detectar la presencia de la muestra. Otro objeto de la presente invención es un método de sensado de materiales magnéticos que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de realizaciones anteriormente descritas, donde dicho dispositivo está configurado en una posición de equilibro estable del segundo imán levitante, y donde dicha posición presenta un desplazamiento frente a la posición de equilibrio que presentaría el segundo imán levitante en ausencia de la muestra de material magnético.

Se consigue con ello un método eficaz, por su alta precisión y sencillez, para la medición de las propiedades magnéticas de muestras bajo estudio. En una realización preferente del método de la invención, el desplazamiento de la posición del segundo imán levitante se mide mediante el sensor de posición o el sensor de campo magnético. Se consigue con ello un medio sensible para determinar, a través de dicho desplazamiento, el campo magnético generado por la muestra magnética bajo estudio. En otra realización preferente del método de sensado de la invención, por medio de la generación de una corriente a través de la bobina, se hace oscilar el imán levitante a una frecuencia igual a su frecuencia de resonancia mecánica. Preferentemente, el método comprende la comparación del campo magnético medido en el imán levitante sin la presencia de la muestra de material magnético, con el

campo magnético medido...

1. Dispositivo de sensado de materiales magnéticos caracterizado porque comprende: -un primer imán (1) situado en una posición fija; -un segundo imán (2) levitante en equilibrio estable, suspendido bajo el efecto del campo magnético del primer imán (1) , y configurado para interaccionar magnéticamente con una muestra de material magnético (5) objeto del sensado;

-al menos, un elemento diamagnético (3) , situado a una distancia fija del primer imán (1) , encontrándose dicho elemento diamagnético (3) bajo

la acción del campo magnético del primer imán (1) y del segundo imán (2) ;

-al menos, un sensor (4) de la posición del segundo imán (2)

levitante y/o del campo magnético al que se encuentra sometido el

segundo imán (2) levitante.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende una bobina (7) para el control de la posición del segundo imán (2) levitante.

3. Dispositivo según la reivindicación 2 que comprende un generador de corriente configurado para generar, mediante su conexión a la bobina (7) , un campo magnético variable de frecuencia igual a la frecuencia de resonancia mecánica del segundo imán levitante (2) .

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde el 25 sensor (4) del campo magnético es un sensor de efecto Hall.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde el sensor de posición del segundo imán (2) levitante es un sensor óptico.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde el

sensor (4) del campo magnético o el sensor de posición están conectados a un voltímetro (6) .

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde el elemento diamagnético (3) posee forma de lámina.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende dos elementos diamagnéticos (3) .

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde al menos un elemento diamagnético (3) comprende grafito pirolítico.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde el segundo imán (2) levitante y la muestra de material magnético (5) bajo estudio se encuentran situados a una distancia comprendida entre 1 y 10 mm.

11. Método de sensado de materiales magnéticos que comprende el

uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, estando el dispositivo configurado en una posición de equilibro estable del segundo imán (2) levitante, donde dicha posición presenta un desplazamiento frente a la posición de equilibrio que presentaría el segundo imán (2) levitante en ausencia de la muestra de material

magnético (5) , y donde el desplazamiento de la posición del segundo imán (2) levitante se mide mediante el sensor de posición o el sensor (4) de campo magnético.

12. Método de sensado de materiales magnéticos según la reivindicación 11, que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, donde, por medio de la generación de una corriente a través de la bobina (7) se hace oscilar el segundo imán (2) levitante a una frecuencia igual a su frecuencia de resonancia mecánica, y donde se compara el campo magnético medido en el

segundo imán (2) levitante sin la presencia de la muestra de material magnético (5) con el campo magnético en presencia de dicha muestra de material magnético (5) , estando el segundo imán levitante sometido a un campo magnético variable de frecuencia igual su frecuencia de resonancia mecánica.

1.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 11-12, donde la distancia comprendida entre el segundo imán (2) levitante y la muestra de material magnético (5) bajo estudio se encuentran situados a una distancia comprendida entre 1 y 10 mm.

FIG. 1

FIG. 2

FIG. 3

FIG. 4

FIG. 5