“零磁空间”的奥秘

2015-12-17中国地震局地球物理研究所王红强金海强

城市与减灾 2015年4期

关键词：标定磁场电磁

中国地震局地球物理研究所王红强金海强

河北省文安地震台卢法林

中国地震局地球物理研究所王红强

“零磁空间”的奥秘

Secrets of “Magnetic Field Free Space”

中国地震局地球物理研究所王红强金海强

地磁场与“零磁空间”

地球“天生”有磁场，地磁场是地球的固有资源。地磁场起源于地面以下3000～5000千米深处的地球外核导电磁流体，一直延伸到地面以上1000千米的高空，无时不在，无处不在，像一张无形的天网，将所有人物、山水、蓝天白云囊括其中。在这张天网的最外层、约6～1000千米的高空有一层厚厚的电离层，好似一件比天还大得多的厚实的防辐射服，阻挡着宇宙高能粒子的入侵，保护着地球上的所有生灵免遭超强辐射的“涂炭”。

地磁场可以用于导航，指南针和罗盘就是常用的地磁导航仪表。地磁场是全球场，像地理坐标系一样，可以定义地磁坐标系，包括地磁北极和南极、磁赤道、磁纬度等要素，这就为航空、航天、航海提供了除地理经纬度之外的第二套天然坐标系。地磁场是矢量场，任意一点的地磁场矢量既有大小也有方向，地磁矢量处处不同，且与该点的地理经纬度存在一一对应关系，理论上可以利用地磁场实现全球定位和导航。实际上，由于具备全天候、全覆盖无死角、能耗低等优势，地磁导航在航天军工等领域的确是重要的导航辅助手段。

然而，地球上却有这么一处所在，偏偏脱离了这无缝天网，“自绝”（自我隔绝）于天网之外，这就是“零磁空间”，它谢绝地磁场入内，在它内部实现了只有外太空才有的零（极弱）磁场环境，仿佛一座人造天宫伫立在地表人间。“零磁空间”座落于美丽的北京国家地球观象台院内，是一座屏蔽了地磁场的大型装置，由我国科研人员历时8年（1981-1989年）自行研制的。

作为地球自身的基本物理场，以及地震前兆信号采集的常规项目，对地磁场的观测一直是许多地震（地磁）台站的常规手段，同时每年还要开展大规模的加密观测的流动地磁测量，在此基础上编制每五年更新一次的《中国地磁图》。大规模的观测需要大批量的仪器支持，对仪器的检测除了同类型仪器的比测之外，还需要一个能够提供零磁场和任意磁场环境的场所对仪器进行绝对精度的校准和标定，这就是当初立项研制“零磁空间”的初衷。

实验室外景，经过2012年全面装修，环境升级

实验室内景，从观测室看“零磁空间”

“零磁空间”提供了只有外太空才有的接近于零磁场的实验环境，既可以开展弱磁（如地磁场）测量仪器（如地磁仪、卫星磁强计）的检测和标定实验，也有利于自身磁信号很弱、且要求实验环境磁噪声水平极低的实验研究的开展，比如岩石变形和破裂过程中伴生的电磁信号的观测与研究，心磁、脑磁等人体磁场和医学实验，无磁育种、动植物繁殖和培育等生物磁学对比实验等。

“零磁空间”还是一个适合开展岩石电磁实验的理想场所。对大的地震来临之前出现的各种电磁异常现象已有大量的记录和报道，但背后的物理机理和过程仍然存在很多争论。通过在实验室内对岩石样品加载压力，同时监测伴随岩石变形和破裂过程出现的电磁信号，可以实现对地震电磁前兆现象的小尺度物理模拟实验。但是由于电力电子设备使用的日益普及，人为造成的电磁干扰日益严重，我们准备测量的岩石电磁异常信号往往比来自周围环境的电磁噪声还要弱，因此非常需要一个像“零磁空间”一样“安静”的无（弱）电磁噪声的实验环境。

“零磁空间”系中国地震局地球物理研究所联合原冶金工业部钢铁研究总院科研人员共同研制，自建成至今已26年，开展了大量磁力仪检测标定、人体和生物磁学实验以及岩石电磁实验，并吸引和接待了数千名中外人员的参观访问。“零磁空间”实验室运维工作出色，测试环境优越，至今运行良好，实验繁忙依旧。

骨架木模

用高纯铝材料浇铸成的骨架

“零磁空间”工作原理

骨架进入实验室

屏蔽层的制作安装

检测和标定球形线圈

在“零磁空间”内用标准线圈产生人工可控磁场，用来测试和标定磁力仪，配备以高精度电子测量设备，能够精确控制和调节人工磁场，获批为地震行业标准DB/T 28-2008《弱磁感应强度测量仪器检定规程》

地震背景场项目仪器测试验收

“零磁空间”服务于航天军工行业，为人造卫星上搭载的磁通门磁强计提供检测标定服务

研制过程和工作原理

零磁装置系采用高纯铝铸造的正八角26面体骨架作为主体框架，包裹以两层高纯铝板（电屏蔽层）和八层高磁导率的坡莫合金材料（磁屏蔽层）构成的，利用特殊材料和特有形状（近似于球形）实现了对地磁场的“静态”屏蔽，不用通电，就能达到完全的屏蔽效果。当磁力线“遭遇”高导磁合金时会产生折射现象，从而改变“前进”方向，顺着导磁层面“流走”。导磁合金围成的近球状封闭空间将磁力线“拒之门外”，从而达到屏蔽地磁场，形成“零磁场”空间的效果。“零磁空间”的内部剩余磁场小于20 nT，不到正常地磁场强度的万分之五。

作用用途

磁力仪检测、标定和验收

利用弱磁感应强度检定系统可对各类地磁场和弱磁测量仪器或传感器进行检测、标定和验收。检测和标定过的仪器包括地震局系统的各类地磁仪、航天部门的卫星磁强计、高温超导量子干涉仪、大地电磁测深仪、电磁波仪等。

据不完全统计（2004年至今），共检测标定各类磁力仪390套，大致分为以下三类：为地震局系统检测标定各类地磁仪器125套；为航天、军工部门标定卫星磁力仪78套，大多数已搭载人造卫星上天；为大学、研究所及民营企业标定仪器187套。

岩石电磁实验

在“零磁空间”开展岩石受压变形破裂实验，同时监测释放出的电磁异常信号，是地震电磁前兆研究的一部分，有助于理解震前电磁异常现象规律及其内在的物理机理。

人体磁场监测和医学实验

即在“零磁场”环境中开展监测人体磁场变化，如脑磁、心磁、胃磁、经络磁场等，及与医学磁法诊疗相关的实验。合作单位有北京大学物理学院、北大医院、中科院物理所、中日友好医院、北京市第六医院、北京协和医院耳鼻喉科、301医院耳鼻喉科等。合作开展的实验项目包括《心磁图仪及心磁图的研究》（利用高温超导进行人体心磁的测量）、动物（兔子）心磁实验、《针磁治疗前后生物磁变化》、声诱发脑磁反应的实验等。作为测试样本，数百位正常人和患者在“零磁空间”接受过心磁测量实验。

生物磁学对比实验

在“零磁空间”中对植物种子进行处理，开展无磁育种实验。分别在“零磁场”和天然磁场环境中进行动植物的培育、喂养、繁殖等实验，对比分析零磁场环境对生物发育、生活习性和遗传特征的影响。合作单位有北京大学、中科院生物物理所、农科院系统众多单位（如原子能所、江西农科院、安徽农科院作物研究所、浙江农科院水稻研究所等）、第四军医大学唐都医院、河南信阳师范学院生命科学学院等。开展的实验包括《零磁空间对中枢神经递质的影响》、《零磁空间对农作物的生物遗传效应研究》、《零磁空间无磁育种的探索与研究》（零磁场环境中麦子、玉米、水稻、豆类、花生、油菜和各种蔬菜种子的诱变实验）、《零磁场对动物冬眠的影响》等。

“零磁空间”有过很多实验故事：种麦子、育花、养鹦鹉、老鼠下崽、乌龟冬眠、兔子手术等。

参观访问

每年吸引和接待大专院校学生、中学生、国内外科技工作者、社会公众等数百人次到实验室参观访问，26年来累计接待数千人次到访。