原子自旋磁強計磁屏蔽筒參數(shù)優(yōu)化設計

張 紅 陳熙源 鄒 升

(東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室，南京210096)

原子自旋磁強計因其超高的理論靈敏度而備受關注.它是一種以超精細能級原子躍遷為基礎、工作在弱磁環(huán)境下的磁場測量裝置［1-3］.多數(shù)靈敏的磁測量都需要隔離外部雜散磁場，這對由高磁導率金屬制成的磁屏蔽體的屏蔽性能提出了嚴格要求［4-6］.目前，現(xiàn)有的磁屏蔽設計研究著重于分析屏蔽效能、屏蔽體形狀和屏蔽體厚度對屏蔽性能的影響［7-10］，而關于屏蔽體的結構尺寸(如筒長、半徑、徑向層間距及軸向層間距等)的優(yōu)化考慮則甚少，磁屏蔽體基本依據(jù)經驗進行設計［11］.本文綜合考慮了影響磁屏蔽筒軸向屏蔽系數(shù)的各個因素，對原子磁強計的磁屏蔽筒結構、尺寸進行優(yōu)化設計，并利用Ansoft 仿真其屏蔽效能.

1 磁屏蔽原理及屏蔽系數(shù)

1.1 磁屏蔽原理

由于磁性屏蔽材料磁阻小，磁屏蔽體可以為外界干擾磁場提供一個低磁阻的磁通路，使磁力線都通過鐵殼短路而不影響屏蔽體里面的部件，達到屏蔽目的.磁屏蔽原理如圖1所示.

圖1 磁屏蔽原理示意圖

1.2 多層磁屏蔽筒屏蔽系數(shù)

單層圓柱形磁屏蔽筒的橫向磁屏蔽系數(shù)為［12］

式中，μr為相對磁導率;d 為屏蔽材料厚度;D 為屏蔽筒直徑.根據(jù)單層磁屏蔽筒的橫向屏蔽系數(shù)及軸向屏蔽系數(shù)公式，推導雙層磁屏蔽筒的屏蔽系數(shù)，進而遞推到n 層磁屏蔽筒屏蔽系數(shù).

令磁屏蔽系數(shù)為未加屏蔽時空間某點磁場強度Hout與加屏蔽后該點磁場強度Hin的比值，即

圖2為雙層磁屏蔽筒軸向剖面圖.假設H0，H1分別為屏蔽筒外部和內部磁場強度;H2，H'2分別為考慮和不考慮內層磁屏蔽影響時第1，2 層之間的磁場強度;ST1，ST2分別為第1，2 層的橫向屏蔽系數(shù);A1，A2分別為內、外層筒截面積;D1，D2分別為內、外層筒直徑;R1，R2分別為內、外層筒半徑.根據(jù)屏蔽系數(shù)公式可得

則雙層屏蔽筒的總屏蔽系數(shù)為［13］

圖2 雙層磁屏蔽筒軸向剖面

同理可推導出n 層磁屏蔽筒橫向屏蔽系數(shù)和軸向屏蔽系數(shù)公式分別為［12-14］

根據(jù)式(7)和(8)可以對n 層磁屏蔽筒的結構和尺寸進行優(yōu)化設計.

2 磁屏蔽筒結構參數(shù)優(yōu)化設計

2.1 磁性屏蔽材料

磁場通過導磁材料會發(fā)生轉移，故磁屏蔽裝置通常由具有高磁導率的磁性材料制作而成.磁導率μ 與相對磁導率μr均為表征物質導磁性能的物理量，兩者關系為μr=μ/μ0，其中μ0為真空磁導率.目前，常用磁屏蔽材料包括鎳鐵合金、坡莫合金等［15］.表1為常用磁屏蔽材料的相對磁導率.

表1 常用磁屏蔽材料的相對磁導率

2.2 參數(shù)優(yōu)化設計

磁屏蔽筒的軸向屏蔽系數(shù)遠小于橫向屏蔽系數(shù)，成為制約屏蔽性能的重要因素.原子自旋磁強計擬采用4 層坡莫合金磁屏蔽筒(見圖3)，其軸向屏蔽系數(shù)為

將式(1)代入式(9)可得

由圖3可以看出，雙層屏蔽筒之間包含了屏蔽筒厚度d、軸向間距ΔL 及徑向間距ΔR，將這些參數(shù)代入式(10)可得

圖3 4 層磁屏蔽筒軸向剖面圖

至此，式(11)已包含磁屏蔽筒設計所需的所有參數(shù)信息.通過參數(shù)優(yōu)化尋求最大軸向屏蔽系數(shù)，從而獲得最佳屏蔽效果.在其他參數(shù)一定僅改變一項參數(shù)的條件下，根據(jù)式(11)利用Matlab 模擬仿真軸向屏蔽系數(shù)的變化情況.多層磁屏蔽筒的軸向屏蔽系數(shù)與ΔR，ΔL，L，R 的關系見圖4.

圖4 SAtot與ΔL，L，ΔR，R 的關系曲線

由圖4可以看出，ΔL，L，R 對軸向總屏蔽系數(shù)影響相對較大，而ΔR 的影響則相對較小，且隨著R 和L 的增加，軸向屏蔽系數(shù)迅速減小.當ΔL≤20 cm 時，軸向屏蔽系數(shù)變化劇烈;反之，則變化緩慢.因此，體積小的磁屏蔽屏蔽性能更好.

下面根據(jù)實際應用情況，優(yōu)化設計磁屏蔽筒.由于磁屏蔽筒內還依次放有錳鋅鐵氧體(底面直徑170 mm、高340 mm 的柱體)、三維異性補償線圈、烤箱和氣室，考慮到安裝問題，在磁屏蔽筒與錳鋅鐵氧體之間保留一定間隙，因此設定R ≥90 mm，L≥360 mm;由于層與層之間有支撐部件，故設定ΔR≥20 mm，ΔL ≥50 mm，μr=2 ×104，d=0.26 cm.

3 屏蔽效能

屏蔽效能是衡量原子陀螺儀屏蔽裝置性能的重要指標，表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度.屏蔽效能定義為未加屏蔽時空間中某點的磁場強度Ei與加屏蔽時空間中該點磁場強度E0的比值，即

3.1 仿真模型

利用Ansoft 軟件進行建模，4 層磁屏蔽筒中每層兩端均有磁屏蔽蓋，且兩端蓋及中心徑向均開通光孔，外部由一對亥姆霍茲線圈來模擬地磁場環(huán)境(地磁場強度約為50 μT).模擬模型如圖5所示.

圖5 4 層磁屏蔽筒和亥姆霍茲線圈地磁場的模擬模型

3.2 仿真結果及分析

磁屏蔽筒中心為0 點，沿軸向(圖5中的Z 方向)向兩側每間隔15 mm 設置一個監(jiān)測點.經優(yōu)化設計的磁屏蔽筒仿真結果見表2.

表2 優(yōu)化后磁屏蔽筒的仿真結果

目前，普林斯頓大學使用的原子自旋磁強計中蔽筒體積龐大，實際筒內剩磁約為2 nT，蔽能效約為90 dB［1-2］;而本文設計的小磁屏蔽筒在理想情況下筒內剩磁約為0.64 pT，蔽效能約為158.6 dB，體積僅為前者的1/3 左右.本文所得結果是以理想情況為前提的，但在實際應用中，坡莫合金磁導率、加工工藝及使用環(huán)境中多種不可控因素等都會影響筒內剩磁，此外還會受測量儀器精度限制，故實際剩磁大于理論仿真結果.

為進一步驗證本文提出的屏蔽筒體積越小屏蔽性能越好這一觀點，對非優(yōu)化大尺寸磁屏蔽筒的屏蔽能效進行模擬，并與經優(yōu)化設計的磁屏蔽筒仿真結果進行對比.所用大尺寸磁屏蔽筒的尺寸為:R=150 mm，L=600 mm，ΔR=20 mm，ΔL= 50 mm，μr=2 ×104，d=0.26 cm.其仿真結果見表3.

表3 大磁屏蔽筒仿真結果

非優(yōu)化大磁屏蔽筒的屏蔽能效約為152.1 dB，低于經優(yōu)化設計的小磁屏蔽筒，即屏蔽筒體積越小，屏蔽性能越好.

4 結語

本文綜合考慮影響原子自旋磁強計磁屏蔽筒屏蔽系數(shù)的各個因素，推導出磁屏蔽筒參數(shù)的優(yōu)化公式.通過仿真發(fā)現(xiàn)，ΔL，L，R 對軸向總屏蔽系數(shù)的影響相對較大，ΔR 的影響則相對較小，且屏蔽筒體積越小，則屏蔽性能越好.然后，對原子磁強計磁屏蔽筒結構和尺寸進行優(yōu)化設計，所得磁屏蔽筒體積僅為國外磁屏蔽筒體積的1/3 左右，仿真得到理想情況下其剩磁約為0.64 pT，屏蔽效能約為158.6 dB，同時具有屏蔽性能大、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點.

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