磁场屏蔽及纳米微晶带屏蔽筒设计

董春龙

摘 要：传统屏蔽材料一般都是高导磁的软磁金属材料，因此常见的屏蔽装置都有着庞大的体积和沉重的重量，在实际中很难搬动和转移，这给许多需求移动的环境应用带来不便。文章主要以纳米微晶作为研究对象，设计相关屏蔽筒，研究屏蔽效果和分析可能影响磁场屏蔽效能的因素。实验表明，纳米微晶材料作为一种新型屏蔽材料，有着重量轻、稳定、高磁导率等优点。其对磁场的屏蔽效果虽不如坡莫合金，但在一些需要移动的场合，采用纳米微晶屏蔽筒不失为一种可行的方法。结果表明，增加非晶带层数可以有效地提高屏蔽效能，屏蔽装置的形体构造和摆放位置也对屏蔽效能有影响。

关键词：磁场屏蔽；屏蔽效能；纳米微晶

1 概述

近几十年来，现代工业技术快速发展，各式各样的电子产品应运而生，数字化及高频电子设备在工作时也会向空间辐射大量不同波长的电磁波，电磁辐射污染已成为高精度弱磁场测量的主要障碍。传统磁屏蔽材料一般都是采用坡莫合金等高导磁金属材料，常见的屏蔽装置都有着庞大的体积和沉重的重量，难于移动和安置，这给许多航空航天等移动环境下的应用带来不便。文章主要以纳米微晶作为研究对象，设计纳米微晶屏蔽筒，研究它的屏蔽效果，分析可能影响磁场屏蔽效能的因素。

2 磁场屏蔽原理

屏蔽是指限制内部源的电磁能量泄露出该区域，或是阻止外来的辐射干扰进入内部区域[1]。一般，用磁场屏蔽系数SF和磁场屏蔽效能SE来描述磁场的屏蔽效果，二者定义如下[1-4]：

式中，屏蔽效能的单位为分贝（dB），H0、H分别指屏蔽前、屏蔽后的磁场大小。SF、SE越大，屏蔽效果越好。

磁场是由恒定电流产生，也可以由磁铁产生。磁场是有旋度无散度的矢量，磁力线的这一性质使得在磁场屏蔽过程中，不能通过切断磁力线的方法来实现，只能通过对其疏导，或补偿的方法改变其原来的方向[5]。简单来说，磁场屏蔽就是将磁力线分流。

通过使用磁导率高的屏蔽材料，为磁场提供一条磁阻很低的旁路，可以称为“通量分流”。在磁场由一种介质（如空气）向另一种介质（如软磁材料）进入时，方向就会发生突然偏移。在空气和软磁材料的分界面上，软磁材料的磁导率相对空气大于几千甚至几万倍时，靠近空气介质一端的磁场被软磁类材料吸引而改变方向，几乎与表面垂直；同时，在靠近软磁类材料介质一端的磁场被引向与分界面正切的方向。软磁类材料制成的屏蔽体造成的结果就是磁感应线被转移到屏蔽体内，进而在屏蔽体内与屏蔽表面几乎平行的方向被分流，达到一定的屏蔽效果。如图1所示。

3 纳米微晶带屏蔽筒

地球表面磁感应强度约为4～5×10-5T，属于弱磁场的研究范畴。地球可视为一个磁偶极子，其中一级位于地理北极附近，另一极位于地理南极附近，通过这两个磁极的假想线构成了磁通回路。由于地磁场相对较小，因此用于屏蔽地磁场的装置要尽量远离一些强磁场源和大型电子设备等。

这次设计的目的主要是屏蔽地磁场以及分析影响纳米微晶带筒屏蔽效果的多种因素。

3.1 磁场屏蔽筒设计

屏蔽设计的主要目的是要尽可能提高屏蔽效能，首先是如何正确选取屏蔽材料和构造屏蔽体结构：屏蔽材料的磁性能对屏蔽效果的影响比较简单，即磁导率越高，屏蔽效果愈好；屏蔽结构的影响比较复杂。相同厚度、相近尺寸条件下，球壳形状的屏蔽性能最优，圆柱与椭球壳性能相近且次之，方壳体的性能最差。其次，屏蔽筒的位置，从理论上讲要尽量远离干扰源，但在实际中往往会受到条件制约。因此在设计时，要综合考虑这些影响。

屏蔽材料分为传统屏蔽材料和非晶合金材料两大类。传统屏蔽材料大多是金属材料，从19世纪初的研究发展到目前已趋于成熟，一直以来是磁场屏蔽的首选材料，这是因为它具有优良的导电性和软磁性，如电磁纯铁、硅钢、坡莫合金均获得了满意的屏蔽效能[10-14]。非晶合金材料有别于金属合金，它是一种完全各向同性的新型屏蔽材料，具有良好的力学性能和更高的耐腐蚀性。同时，非晶态合金结构的无序性决定了它高磁导率、低矫顽力以及更好的软磁性等优势。由于具有许多物理及化学性能的优势，所以它作为高性能的新型材料逐渐成为材料科学中热点的研究领域[15-18]。

根据以上屏蔽设计的要求，我们设计了由圆柱形基底和多层纳米微晶材料构成的屏蔽筒简易装置，如图2所示。由于圆柱形壳体制造工艺较简单，但屏蔽效果不差，所以选取圆柱筒形作为屏蔽体构造的基底。聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）极具稳定性和易于成型，尤其较金属材料重量轻很多，作为基底材料十分合适。通过将纳米微晶带缠绕在有机玻璃圆柱筒上，沿圆周形成密闭结构。通过缠绕多层结构去除微晶带接缝处的漏磁，且增加导磁层的厚度。两个端面用平板有机玻璃制成封盖，上面用前述方法粘有微晶带屏蔽材料，在其中一端面上开有一定尺寸的圆孔，用于往屏蔽筒内放置样品及测量探头。通过以上方法制作多个不同直径的圆柱形屏蔽筒，最后将它们共轴嵌套在一起，之间用聚氯乙烯层隔离，构成一个多层嵌套的屏蔽筒（图2-a，图2-b）。这样外界磁场在一次一次通过由纳米晶带屏蔽层时都会衰减，经过多次这样的”分流“过程，在最内层屏蔽筒的中心可获得更低的弱磁环境。

本实验纳米微晶材料是1K107B带材，由铁、硅、硼、铌、铜等元素组成，晶粒尺寸仅有10-20nm，起始磁导率为80000，对屏蔽磁场有很大的优势，其外观见图2-c。

3.2 结果讨论

如图3所示，分别是两种微晶带不同缠绕方式对屏蔽效能的影响。在高度为50cm，直径为15cm的有机玻璃筒上使用两种缠绕方式以进行比较。测量点位于屏蔽筒轴线上，坐标原点位于筒有孔一端的端盖处。磁场数据通过CH-1500B型三维磁通门磁强计测量得到。该磁强计测试范围广，为±3μT，分辨率1nT。图中，A线是将两层微晶带直接缠绕在有机玻璃筒的外围测得的数据，而B线通过将两层微晶带十字交叉编织成草席状，再将筒覆盖时的数据。在相同的磁场中，可以看到编织筒的衰减度要大于直接缠绕方式，并且屏蔽后的磁场更为稳定，没有较大波动。

图4是15cm和20cm直径屏蔽筒的磁场衰减图，其中黑线和红线分别为15和20cm筒单独测量时的测量结果。由图可见，15cm屏蔽筒的屏蔽效果要优于 20cm的，说明筒直径是影响屏蔽效能的因素之一，而且不是直径越大屏蔽效果越好，要根据外界磁场大小和应用场合适当的选定。图中位于最下方的蓝线是两个屏蔽筒嵌套后的结果，发现屏蔽后的磁场要比前两个筒单独使用时更低，可以预见多层结构可以提高屏蔽效能，下边详细介绍。

图5为缠绕7层微晶编织带屏蔽筒的磁场衰减图。可以看到，随层数增大屏蔽效果也越来越好。之前图4中，我们也看到嵌套双筒的屏蔽效果更好。在图中，当筒缠绕2～3层微晶带后磁场的衰减很明显，到后来5～7层时，衰减趋势逐渐平缓并接近。所以，增加微晶带的复数层的确加强了屏蔽效果，但是受到材料本身性能的限制，分流磁场并不会一直持续增多，所以屏蔽筒屏蔽效果也会到达极值。本实验中微晶带筒最后的屏蔽磁场都维持在300nT左右。

我们的实验是在普通实验室中进行的，可以认为环境磁场近似为地磁场，而地磁场的磁场线是平行于地表平面的。在图6中，分别是15、20、25cm直径屏蔽筒垂直放置时测试的结果，图中的三条线分别是屏蔽后剩余磁场的三方向分量。其中，x分量沿屏蔽筒轴线，y方向沿与轴线垂直的水平方向，z分量沿竖直方向。从中发现，x分量的磁感应强度明显大于其他两个分量的。这是因为磁场通过屏蔽筒的时候，垂直于微晶带的磁场分量被分流的少，而平行磁场分量分流要多一些。

X轴沿屏蔽筒轴线，y轴沿与轴线垂直的水平方向，z轴沿竖直方向。

4 结束语

采用纳米微晶带缠绕在骨架圆筒上制作磁屏蔽筒的方法，可以使屏蔽筒的重量大大减轻。屏蔽体构造和屏蔽材料的选择是设计屏蔽装置要考虑的重要因素。实验表明，将微晶带编成席状比直接缠绕屏蔽效果更好，实验中通过增加单筒上微晶带缠绕层数能有效地提高屏蔽筒的屏蔽效能，但当达到一定层数后，屏蔽效果达到饱和，不再继续增加。在我们的实验中，该层数为7层。对筒的内径和多个圆筒同轴嵌套后的屏蔽效果进行了测量，采用双层圆筒后，可将地磁场屏蔽到200-300nT。尽管远低于采用高导磁金属材料制成的屏蔽筒，但其重量大大减轻，这使得它在航空航天等对重量有特殊要求的移动式磁屏蔽场合可得到应用。不失为一种在这些场合磁屏蔽的可行方案。

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