新型氫脈澤磁屏蔽的設(shè)計(jì)

王文明，代克，張燕軍，張為群

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新型氫脈澤磁屏蔽的設(shè)計(jì)

王文明1,2，代克1,2，張燕軍1，張為群1

（1. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030； 2 . 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039）

為使磁場(chǎng)在氫脈澤儲(chǔ)存泡處的影響降到最小，對(duì)一種新型氫脈澤進(jìn)行了磁屏蔽設(shè)計(jì)。給出了該新型氫脈澤磁屏蔽的相關(guān)理論計(jì)算、設(shè)計(jì)，包括對(duì)屏蔽體縫孔的設(shè)計(jì)考慮，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該磁屏蔽設(shè)計(jì)的可行性。

磁屏蔽；氫脈澤；磁導(dǎo)率

氫脈澤是一種準(zhǔn)確度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定度好的高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星發(fā)射、導(dǎo)彈制導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確定位、空間技術(shù)、深空跟蹤以及現(xiàn)代天文、基礎(chǔ)物理測(cè)試等領(lǐng)域。受磁場(chǎng)影響，氫脈澤超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率的相對(duì)變化為[1]

1 磁屏蔽的設(shè)計(jì)原理

屏蔽的設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)既具有實(shí)際意義又具有理論意義的工作。根據(jù)屏蔽原理的不同，電磁場(chǎng)的屏蔽可分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽和電磁屏蔽這三種情況。靜電屏蔽利用的是導(dǎo)體靜電平衡原理；電磁屏蔽利用的是渦電流原理，高頻干擾電磁場(chǎng)產(chǎn)生電渦流，消耗干擾磁場(chǎng)的能量；靜磁屏蔽的原理是采用高磁導(dǎo)率材料作為屏蔽體材料，在需要屏蔽的空間形成一個(gè)相對(duì)密閉的空間，使磁通沿著屏蔽體側(cè)壁流過(guò)，從而降低屏蔽空間內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以達(dá)到屏蔽效果[2]。

新型氫脈澤的磁屏蔽設(shè)計(jì)就是為了盡量避免地磁場(chǎng)帶來(lái)的影響以及工作環(huán)境中其他電磁信號(hào)產(chǎn)生的磁干擾，這種屏蔽屬于靜磁屏蔽。設(shè)計(jì)原理可以用磁路的概念來(lái)說(shuō)明：將空氣和屏蔽系統(tǒng)看作并聯(lián)的磁路，由于各部分通過(guò)的磁通量與各自的磁導(dǎo)率成正比，而磁屏蔽材料具有遠(yuǎn)高于空氣的磁導(dǎo)率，因此屏蔽系統(tǒng)中通過(guò)的磁通量比空氣中要大得多，從而使屏蔽材料包圍的空腔受外磁場(chǎng)影響減小到極限，達(dá)到屏蔽的目的。材料的磁導(dǎo)率愈高，屏蔽體壁愈厚，屏蔽效果就愈顯著。

2 磁屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

氫脈澤磁屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1）材料的選擇。磁屏蔽材料的特性（主要是磁導(dǎo)率和磁飽和性能）是影響屏蔽體性能的主要因素。不同的磁屏蔽材料適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合：

①高磁導(dǎo)率材料應(yīng)用于：A. 改變低頻磁場(chǎng)方向；B. 較為狹小的空間內(nèi)需要采用磁屏蔽措施；C. 較高磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)高屏蔽性能；

②高飽和值材料應(yīng)用于：A. 磁屏蔽性能要求不高；B. 外界磁場(chǎng)足以使高磁導(dǎo)率屏蔽體達(dá)到磁飽和。

氫脈澤對(duì)磁場(chǎng)要求很高，我們選用具有高磁導(dǎo)率的玻莫合金材料，該合金為Ni-Fe型合金，其制成的磁屏蔽形成磁回路來(lái)抑制電感耦合的干擾，適用于屏蔽微弱磁場(chǎng)。但這種材料價(jià)格不菲，因此在設(shè)計(jì)中也要顧及用料的經(jīng)濟(jì)。

2）磁屏蔽材料厚度。磁屏蔽效果隨材料厚度增大而增強(qiáng)，并隨屏蔽體內(nèi)空間的增大而減小。在干擾源和接收器中選擇體積較小者加以屏蔽，還可以節(jié)省材料、減輕重量、少占空間；氫脈澤主要是受地磁和環(huán)境磁場(chǎng)影響，屏蔽包裹在脈澤躍遷區(qū)外面。就原理而言，屏蔽材料越厚越好，但是對(duì)于工程而言，只要屏蔽材料的厚度是相應(yīng)的趨膚深度的1.5倍就夠了，趨膚深度為[2]：

3）應(yīng)用多層屏蔽提高屏蔽效果。在單層屏蔽不能滿足要求時(shí)，可采用多層屏蔽。氫脈澤對(duì)外界磁場(chǎng)變化非常敏感，要求儲(chǔ)存泡分布區(qū)域剩余磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于10-8T量級(jí)。僅靠單層屏蔽或者只是簡(jiǎn)單地加大屏蔽厚度是達(dá)不到該要求的，且增加厚度會(huì)增加用料量以及增加重量，一般采用4層屏蔽。

4）減小屏蔽體的接縫和孔洞處的磁阻。在氫脈澤內(nèi)部，由于需要調(diào)諧、導(dǎo)線引出、結(jié)構(gòu)緊固等原因，必須對(duì)屏蔽體開(kāi)孔，另外屏蔽體的安裝接插處也難免縫隙，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮這些問(wèn)題。

3 磁屏蔽間距的理論計(jì)算及效果仿真

氫脈澤通常采用4層屏蔽，由玻莫合金材料制成的圓柱形筒按直徑大小由里向外套裝在一起。4個(gè)筒上面焊接與筒壁等厚的頂蓋，除最外層頂蓋外其余每個(gè)頂蓋在圓心處開(kāi)直徑為20 mm的孔，用于放置機(jī)械調(diào)諧用的扳手，要求這3個(gè)頂蓋的孔同心。筒與底屏蔽采用接插方式進(jìn)行緊固，設(shè)計(jì)中接插處重合高度為15 mm，以減小漏磁。氫脈澤屏蔽層結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示。

屏蔽層對(duì)外界磁場(chǎng)的屏蔽效果稱磁屏蔽效能，用字母表示，表達(dá)式[3]為

對(duì)于一個(gè)圓柱形的屏蔽層來(lái)說(shuō)，其磁屏蔽效能表示為[3]

磁屏蔽效能的表達(dá)式隨屏蔽層數(shù)的不同而不同，對(duì)于2層屏蔽有[3]

式（7）中，下角標(biāo)1和2分別表示第1層屏蔽和第2層屏蔽，的表達(dá)式[3]為

式（9）中

對(duì)該新型氫脈澤4層屏蔽內(nèi)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到如圖3所示的4層屏蔽系統(tǒng)剖面磁力線分布圖和圖4所示的4層屏蔽效果圖。在圖3中，由屏蔽層外到屏蔽內(nèi)環(huán)境中心軸處磁場(chǎng)強(qiáng)度由0.5×10-4T降至2×10-8T，三角形點(diǎn)的分布代表磁場(chǎng)的分布均勻程度。圖4中橫軸代表屏蔽筒中心軸，120 mm處為軸中點(diǎn)處，縱軸代表屏蔽內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)圖3和圖4的分析可知，屏蔽內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到量級(jí)要求且分布均勻，在儲(chǔ)存泡放置區(qū)域，仿真結(jié)果優(yōu)于理論要求。

圖3 4層屏蔽系統(tǒng)剖面磁力線分布

圖4 計(jì)算機(jī)仿真的4層屏蔽效果圖

4 磁屏蔽設(shè)計(jì)中孔洞和接縫的考慮

高導(dǎo)磁材料，如玻莫合金等屏蔽體上的孔洞和接縫會(huì)造成電磁泄漏，因此氫脈澤在采用4層屏蔽時(shí)，對(duì)各層之間的實(shí)際設(shè)計(jì)間距也要比理論值稍大一些，當(dāng)然我們還必須在設(shè)計(jì)中重視有關(guān)屏蔽層上的開(kāi)孔和一些接縫的問(wèn)題。

在設(shè)計(jì)中要采用一些避免孔洞或接縫漏磁的對(duì)策：

1）該新型氫脈澤屏蔽筒與底采用接插方式緊固，就會(huì)造成縫隙漏磁，圖5是計(jì)算機(jī)模擬的筒和底間的不同重合高度對(duì)應(yīng)的磁屏蔽效果圖，顯然縫隙能引起磁屏蔽較嚴(yán)重的漏磁。最基本的減少漏磁的方法當(dāng)然是增加接觸重合面積，同時(shí)要保持接觸面的清潔和較好的平整度，這樣可以減小電阻增大電容，必要時(shí)還要在周圍加緊固螺釘，這不僅起到緊固屏蔽體的作用，同時(shí)也可以起到減小電阻的作用?？p隙漏磁的重要原因是縫隙處電氣性能不連續(xù)，其根本原因是縫隙處的阻抗發(fā)生了變化。除了通過(guò)增加接觸重合面積、用緊固螺釘緊固屏蔽層的方法有效減少磁漏外，還可以在縫隙中加導(dǎo)電襯墊以便減小阻抗變化[4]。

圖5 計(jì)算機(jī)模擬筒和底不同重合高度的磁屏蔽效果圖

圖6 計(jì)算機(jī)模擬頂蓋開(kāi)孔后的磁屏蔽效果圖

3）對(duì)于穿過(guò)屏蔽體的導(dǎo)線，如果導(dǎo)線中的信號(hào)是低頻信號(hào)，就用電容器濾波。當(dāng)導(dǎo)線中的信號(hào)是高頻信號(hào)時(shí)，一般在外面套一根屏蔽套，并使屏蔽套端面一周焊接接地。在新型氫脈澤小型化設(shè)計(jì)中，屏蔽底要有兩根中頻線和若干電源線穿過(guò)，我們可以采用在導(dǎo)線外面加屏蔽套筒的措施，通過(guò)電容器濾波來(lái)消除中頻信號(hào)線和電源線所帶來(lái)的電磁干擾。

5 測(cè)試與結(jié)論

脈澤磁性能測(cè)試對(duì)脈澤放置的磁環(huán)境有一定要求。一般情況下要求放置位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度小于 0.5×10-4T，氫脈澤離開(kāi)其他電氣設(shè)備至少0.5m以上。若放置位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.5×10-4T，則必須測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度，且磁感應(yīng)強(qiáng)度的波動(dòng)必須小于2 000 nT[6]。

我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)周期性地改變安放在該新型氫脈澤上下的亥姆赫茲線圈中的電流（其效果相當(dāng)于周期性地改變外磁場(chǎng)）時(shí)，氫脈澤輸出頻率相應(yīng)地變化。圖7中橫坐標(biāo)表示亥姆赫茲線圈中電流的變化，相當(dāng)于外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，縱坐標(biāo)表示被測(cè)氫脈澤輸出頻率與參考?xì)涿}澤的差拍周期b的相對(duì)變化，從中可以較為明顯地發(fā)現(xiàn)脈澤磁屏蔽所體現(xiàn)出的磁滯特性，通過(guò)換算得到氫脈澤輸出頻率穩(wěn)定度隨外界磁場(chǎng)的變化在10-15/mG量級(jí)，該新型氫脈澤磁靈敏度與國(guó)外水平相當(dāng)，達(dá)到預(yù)期效果。我們所研制的氫脈澤，由于改進(jìn)了磁屏蔽設(shè)計(jì)，使得磁屏蔽的性能和重量、尺寸等均有較大的改善，并且使得氫脈澤頸部所加微弱均勻補(bǔ)償磁場(chǎng)幾乎不起作用。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看，脈澤工作磁場(chǎng)相同的情況下，改變頸部磁場(chǎng)方向，幾乎不影響脈澤的磁靈敏度和磁屏蔽的磁滯特性。

圖7 磁屏蔽的磁滯回線

致謝 感謝上海天文臺(tái)時(shí)頻中心的老師與同學(xué)給予的支持和幫助。

[1] 翟造成, 張為群, 蔡勇, 等. 原子鐘基本原理與時(shí)頻測(cè)量技術(shù)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 2009.

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[4] 姚建永, 胡振威. 屏蔽體孔洞電磁泄漏研究與對(duì)策[J]. 科技創(chuàng)新月刊, 2007, 5: 188.

[5] 鄒峰, 張繼紅, 李晶. 氫原子頻標(biāo)磁屏蔽性能研究[C]//2009時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 成都: 2009時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會(huì)議組委會(huì), 2009: 52-57.

[6] 張為群. 氫脈澤磁屏蔽的改進(jìn)與性能測(cè)定[J]. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊, 1997, 18: 209-213.

A Design of Magnetic Shield for a New Hydrogen Maser

WANG Wen-ming1,2, DAI Ke1,2, ZHANG Yan-jun1, ZHANG Wei-qun1

(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

In order to reduce the magnetic field at the storage bulb to the lowest, a magnetic shield is designed for a new hydrogen maser. The estimation and design, including the consideration to the holes and seams, are presented. The simulation and experiment have tested and verified the feasibility of the designed magnetic shield.

magnetic shield; hydrogen maser; magnetic permeability

2009-11-11

王文明，男，碩士研究生，主要從事主動(dòng)型氫原子頻標(biāo)方面的研究。

TM935.115；TH714.1+4

A

1674-0637(2010)01-0054-08