新型氢脉泽磁屏蔽的设计

王文明，代克，张燕军，张为群



新型氢脉泽磁屏蔽的设计

王文明1,2，代克1,2，张燕军1，张为群1

（1. 中国科学院上海天文台，上海 200030； 2 . 中国科学院研究生院，北京 100039）

为使磁场在氢脉泽储存泡处的影响降到最小，对一种新型氢脉泽进行了磁屏蔽设计。给出了该新型氢脉泽磁屏蔽的相关理论计算、设计，包括对屏蔽体缝孔的设计考虑，通过仿真和实验验证了该磁屏蔽设计的可行性。

磁屏蔽；氢脉泽；磁导率

氢脉泽是一种准确度高，长期稳定度好的高精度时间频率标准，广泛应用于人造卫星发射、导弹制导、运动目标的精确定位、空间技术、深空跟踪以及现代天文、基础物理测试等领域。受磁场影响，氢脉泽超精细能级跃迁频率的相对变化为[1]

1 磁屏蔽的设计原理

屏蔽的设计，是一项既具有实际意义又具有理论意义的工作。根据屏蔽原理的不同，电磁场的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽这三种情况。静电屏蔽利用的是导体静电平衡原理；电磁屏蔽利用的是涡电流原理，高频干扰电磁场产生电涡流，消耗干扰磁场的能量；静磁屏蔽的原理是采用高磁导率材料作为屏蔽体材料，在需要屏蔽的空间形成一个相对密闭的空间，使磁通沿着屏蔽体侧壁流过，从而降低屏蔽空间内的磁感应强度，以达到屏蔽效果[2]。

新型氢脉泽的磁屏蔽设计就是为了尽量避免地磁场带来的影响以及工作环境中其他电磁信号产生的磁干扰，这种屏蔽属于静磁屏蔽。设计原理可以用磁路的概念来说明：将空气和屏蔽系统看作并联的磁路，由于各部分通过的磁通量与各自的磁导率成正比，而磁屏蔽材料具有远高于空气的磁导率，因此屏蔽系统中通过的磁通量比空气中要大得多，从而使屏蔽材料包围的空腔受外磁场影响减小到极限，达到屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，屏蔽体壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。

2 磁屏蔽的设计要点

氢脉泽磁屏蔽的设计要点如下：

1）材料的选择。磁屏蔽材料的特性（主要是磁导率和磁饱和性能）是影响屏蔽体性能的主要因素。不同的磁屏蔽材料适用于不同的应用场合：

①高磁导率材料应用于：A. 改变低频磁场方向；B. 较为狭小的空间内需要采用磁屏蔽措施；C. 较高磁场中实现高屏蔽性能；

②高饱和值材料应用于：A. 磁屏蔽性能要求不高；B. 外界磁场足以使高磁导率屏蔽体达到磁饱和。

氢脉泽对磁场要求很高，我们选用具有高磁导率的玻莫合金材料，该合金为Ni-Fe型合金，其制成的磁屏蔽形成磁回路来抑制电感耦合的干扰，适用于屏蔽微弱磁场。但这种材料价格不菲，因此在设计中也要顾及用料的经济。

2）磁屏蔽材料厚度。磁屏蔽效果随材料厚度增大而增强，并随屏蔽体内空间的增大而减小。在干扰源和接收器中选择体积较小者加以屏蔽，还可以节省材料、减轻重量、少占空间；氢脉泽主要是受地磁和环境磁场影响，屏蔽包裹在脉泽跃迁区外面。就原理而言，屏蔽材料越厚越好，但是对于工程而言，只要屏蔽材料的厚度是相应的趋肤深度的1.5倍就够了，趋肤深度为[2]：

3）应用多层屏蔽提高屏蔽效果。在单层屏蔽不能满足要求时，可采用多层屏蔽。氢脉泽对外界磁场变化非常敏感，要求储存泡分布区域剩余磁场的磁感应强度小于10-8T量级。仅靠单层屏蔽或者只是简单地加大屏蔽厚度是达不到该要求的，且增加厚度会增加用料量以及增加重量，一般采用4层屏蔽。

4）减小屏蔽体的接缝和孔洞处的磁阻。在氢脉泽内部，由于需要调谐、导线引出、结构紧固等原因，必须对屏蔽体开孔，另外屏蔽体的安装接插处也难免缝隙，因此在设计过程中必须考虑这些问题。

3 磁屏蔽间距的理论计算及效果仿真

氢脉泽通常采用4层屏蔽，由玻莫合金材料制成的圆柱形筒按直径大小由里向外套装在一起。4个筒上面焊接与筒壁等厚的顶盖，除最外层顶盖外其余每个顶盖在圆心处开直径为20 mm的孔，用于放置机械调谐用的扳手，要求这3个顶盖的孔同心。筒与底屏蔽采用接插方式进行紧固，设计中接插处重合高度为15 mm，以减小漏磁。氢脉泽屏蔽层结构剖面示意图如图1所示。

屏蔽层对外界磁场的屏蔽效果称磁屏蔽效能，用字母表示，表达式[3]为

对于一个圆柱形的屏蔽层来说，其磁屏蔽效能表示为[3]

磁屏蔽效能的表达式随屏蔽层数的不同而不同，对于2层屏蔽有[3]

式（7）中，下角标1和2分别表示第1层屏蔽和第2层屏蔽，的表达式[3]为

式（9）中

对该新型氢脉泽4层屏蔽内的磁场分布进行计算机仿真，得到如图3所示的4层屏蔽系统剖面磁力线分布图和图4所示的4层屏蔽效果图。在图3中，由屏蔽层外到屏蔽内环境中心轴处磁场强度由0.5×10-4T降至2×10-8T，三角形点的分布代表磁场的分布均匀程度。图4中横轴代表屏蔽筒中心轴，120 mm处为轴中点处，纵轴代表屏蔽内磁感应强度。通过对图3和图4的分析可知，屏蔽内磁感应强度达到量级要求且分布均匀，在储存泡放置区域，仿真结果优于理论要求。

图3 4层屏蔽系统剖面磁力线分布

图4 计算机仿真的4层屏蔽效果图

4 磁屏蔽设计中孔洞和接缝的考虑

高导磁材料，如玻莫合金等屏蔽体上的孔洞和接缝会造成电磁泄漏，因此氢脉泽在采用4层屏蔽时，对各层之间的实际设计间距也要比理论值稍大一些，当然我们还必须在设计中重视有关屏蔽层上的开孔和一些接缝的问题。

在设计中要采用一些避免孔洞或接缝漏磁的对策：

1）该新型氢脉泽屏蔽筒与底采用接插方式紧固，就会造成缝隙漏磁，图5是计算机模拟的筒和底间的不同重合高度对应的磁屏蔽效果图，显然缝隙能引起磁屏蔽较严重的漏磁。最基本的减少漏磁的方法当然是增加接触重合面积，同时要保持接触面的清洁和较好的平整度，这样可以减小电阻增大电容，必要时还要在周围加紧固螺钉，这不仅起到紧固屏蔽体的作用，同时也可以起到减小电阻的作用。缝隙漏磁的重要原因是缝隙处电气性能不连续，其根本原因是缝隙处的阻抗发生了变化。除了通过增加接触重合面积、用紧固螺钉紧固屏蔽层的方法有效减少磁漏外，还可以在缝隙中加导电衬垫以便减小阻抗变化[4]。

图5 计算机模拟筒和底不同重合高度的磁屏蔽效果图

图6 计算机模拟顶盖开孔后的磁屏蔽效果图

3）对于穿过屏蔽体的导线，如果导线中的信号是低频信号，就用电容器滤波。当导线中的信号是高频信号时，一般在外面套一根屏蔽套，并使屏蔽套端面一周焊接接地。在新型氢脉泽小型化设计中，屏蔽底要有两根中频线和若干电源线穿过，我们可以采用在导线外面加屏蔽套筒的措施，通过电容器滤波来消除中频信号线和电源线所带来的电磁干扰。

5 测试与结论

脉泽磁性能测试对脉泽放置的磁环境有一定要求。一般情况下要求放置位置处磁感应强度小于 0.5×10-4T，氢脉泽离开其他电气设备至少0.5m以上。若放置位置处磁感应强度大于0.5×10-4T，则必须测定磁感应强度，且磁感应强度的波动必须小于2 000 nT[6]。

我们通过实验发现：当周期性地改变安放在该新型氢脉泽上下的亥姆赫兹线圈中的电流（其效果相当于周期性地改变外磁场）时，氢脉泽输出频率相应地变化。图7中横坐标表示亥姆赫兹线圈中电流的变化，相当于外界磁感应强度的变化，纵坐标表示被测氢脉泽输出频率与参考氢脉泽的差拍周期b的相对变化，从中可以较为明显地发现脉泽磁屏蔽所体现出的磁滞特性，通过换算得到氢脉泽输出频率稳定度随外界磁场的变化在10-15/mG量级，该新型氢脉泽磁灵敏度与国外水平相当，达到预期效果。我们所研制的氢脉泽，由于改进了磁屏蔽设计，使得磁屏蔽的性能和重量、尺寸等均有较大的改善，并且使得氢脉泽颈部所加微弱均匀补偿磁场几乎不起作用。从实验结果分析来看，脉泽工作磁场相同的情况下，改变颈部磁场方向，几乎不影响脉泽的磁灵敏度和磁屏蔽的磁滞特性。

图7 磁屏蔽的磁滞回线

致谢 感谢上海天文台时频中心的老师与同学给予的支持和帮助。

[1] 翟造成, 张为群, 蔡勇, 等. 原子钟基本原理与时频测量技术[M]. 上海: 上海科学技术文献出版社, 2009.

[2] 孙威, 刘卫, 孙佃庆, 等. 核磁共振测井仪探头内部磁屏蔽问题的解决方法[J]. 现代科学仪器, 2008, 4: 14-15.

[3] VANIER J, AUDOIN C. The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards[M]. Britain: Adam Hilger Press, 1988: 937-940.

[4] 姚建永, 胡振威. 屏蔽体孔洞电磁泄漏研究与对策[J]. 科技创新月刊, 2007, 5: 188.

[5] 邹峰, 张继红, 李晶. 氢原子频标磁屏蔽性能研究[C]//2009时间频率学术会议论文集. 成都: 2009时间频率学术会议组委会, 2009: 52-57.

[6] 张为群. 氢脉泽磁屏蔽的改进与性能测定[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 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，硕士研究生，主要从事主动型氢原子频标方面的研究。

TM935.115；TH714.1+4

A

1674-0637(2010)01-0054-08