李立毅 孫芝茵 潘東華 劉家曦 劉添豪

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001)

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近零磁環(huán)境裝置現(xiàn)狀綜述

李立毅 孫芝茵 潘東華 劉家曦 劉添豪

(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001)

磁場極其微弱甚至接近零的特殊環(huán)境條件在科學研究和技術研發(fā)方面具有獨特意義。通過被動屏蔽、主動補償?shù)仁侄危稍诘卮艌龊透黝惛蓴_磁場的環(huán)境下實現(xiàn)這種近零磁場。世界各國已根據(jù)不同的應用需求建設了高水平近零磁環(huán)境裝置，國內相關研究也已初步展開。結合近年來的最新成果，詳細闡述了此類裝置的建設方案與指標特性的現(xiàn)狀。

近零磁場 微弱磁場 磁屏蔽 空間磁場

0 引言

粒子和場是自然界物質存在的兩種基本形態(tài)，在以場形態(tài)存在的物質中，磁場是宇宙中極其重要和普遍的一種場。磁場環(huán)境作為重要的環(huán)境因素和科學研究條件，是磁科學技術發(fā)展的重要基礎，在不同領域具有重要應用。目前宇宙中存在的磁場，已知的就覆蓋10-14～109T的量級范圍。“弱磁”是指磁場較弱的磁場，主要指低于地球表面磁場的磁場，如空間磁場、生物磁場等。“零磁”理論上是磁場為絕對零值的環(huán)境。由于技術條件限制，目前采用人工手段尚難實現(xiàn)絕對的“零磁”環(huán)境，只能實現(xiàn)極弱的近零磁場環(huán)境，也簡稱為零磁環(huán)境。

近零磁場環(huán)境在前沿科學、航天國防等方面都具有獨特的應用。從基本物理研究方面來說，探測微觀粒子固有的電偶極矩需要在高度穩(wěn)定的微弱磁場下進行，近零磁環(huán)境的穩(wěn)定性達到飛特斯拉量級，能夠使得實驗達到前所未有的探測準確度，可提供理解宇宙中物質與反物質的對稱性的重要信息，而且此類零磁環(huán)境下的粒子實驗研究與高能碰撞粒子實驗研究互補，是反物質探測研究的新方向。在空間物理研究方面，利用零磁環(huán)境建立高精度微弱磁場標準，能夠保證微弱磁場測量儀器的測量準確度，保證空間磁探測不被航天器自身磁性干擾，以進行高精度的空間磁場、動態(tài)等離子、能量粒子等的探索。在地球物理研究方面，零磁環(huán)境和高準確度微弱磁場探測技術是準確研究巖石磁性的先決條件，從而通過剩余磁性分析磁化歷史并研究地磁場特征。在生物物理方面，零磁環(huán)境可應用于生物體本征磁場和生物體自身磁特性的研究，利用電磁原理研究生命活動的信息，并探討外界電磁場對生命的影響、調理和干預。近零磁場環(huán)境還可應用于航天器磁特性、地磁導航技術、地磁異常探測等研究，在航天工程、軍事國防等領域發(fā)揮重要作用?？傊?，空間科學、地球物理、航天工程、國防工業(yè)、生命科學等多種學科的發(fā)展都對零磁/弱磁環(huán)境提出了應用需求，且隨著研究深入，近年來對近零磁場的要求不斷提高。

近零磁場環(huán)境的主要評價指標是屏蔽系數(shù)、磁場噪聲和剩余磁場。屏蔽系數(shù)衡量磁屏蔽體的屏蔽有效性，采用屏蔽前后磁場強度或磁感應強度的比值或其dB值表示。磁場噪聲描述磁場干擾信號隨頻率分布的量值，通常用特定頻域下的功率譜密度或振幅譜密度表示。剩余磁場為近零磁環(huán)境的絕對磁感應強度。近零磁環(huán)境裝置的電磁設計、機械結構、材料組成、周圍環(huán)境特性決定了其最終指標參數(shù)。值得注意的是：以上指標還與被屏蔽磁場特性等因素有關，因此進行分析時，需明確該指標是在何種頻率及幅值下測量的。

1 初代近零磁環(huán)境裝置

1967年，美國伊利諾大學的D.Cohen[1]建立了一間零磁屏蔽室(Magnetically Shielded Room，MSR)，目的是通過屏蔽地磁場與干擾磁場提高人體磁場測量準確度，進而研究人體心臟的生物電流。該零磁室的內部空間為2.23 m×2.23 m×2.23 m，由2層1.52 mm的坡莫合金和1層4.8 mm的鋁構成，低頻磁場屏蔽系數(shù)約400，這是世界上第一次在較干凈的磁場環(huán)境下測量心磁圖。隨后，D.Cohen[2]又于1970年在美國麻省理工學院建立了第二間零磁室。該零磁室為26面類球體，最內層直徑2.5 m，最外層直徑4.0 m，由3層高導磁薄板和2層純鋁組成。作為美國國家基礎設施，零磁室屏蔽系數(shù)約900，在當時達到了較高水平。

1970年，德國VAC公司為達姆施塔特大學建立了歐洲的第一間零磁室[3]。1977年，歐洲航天研究和技術中心(ESTEC)在荷蘭建立了零磁室，目的是建立物體磁特性準確測量環(huán)境[4]。1980年，芬蘭赫爾辛基大學建立了Otaniemi零磁室，是歐洲第一間3層屏蔽的大體積零磁室[5]。1980年，德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB)建立了6層軟磁材料屏蔽的零磁室，是當時屏蔽層數(shù)量最多的零磁室[6]。

進入90年代以后，亞洲一些國家也開展了零磁室的建設。1996年，日本的超導傳感器實驗室建設了類球形的零磁室COSMOS，用于研發(fā)超導量子干涉儀[7]。1997年，韓國標準計量與科學研究院也研制了零磁室，主要用于生物磁圖研究[8]，零磁室內部尺寸為2 m×2 m×2.5 m，其內部中心處的直流磁場屏蔽系數(shù)達1 000，1 Hz交流磁場和10 Hz交流磁場的屏蔽系數(shù)分別為103和104。此外，1 Hz交流磁場的噪聲為500 fT/Hz1/2，10 Hz交流磁場的噪聲為100 fT/Hz1/2。

2 國際著名近零磁環(huán)境裝置

近零磁環(huán)境裝置的一個重要指標參數(shù)是低頻磁場屏蔽系數(shù)，對于被動屏蔽與主動補償結合的裝置，該屏蔽系數(shù)是指綜合作用下的屏蔽系數(shù)。2000年后某些國家建立的近零磁裝置指標快速提升、性能優(yōu)異，以低頻磁場屏蔽系數(shù)為指標的排列順序如下：①德國聯(lián)邦物理研究院PTB的BMSR-2，0.01 Hz極低頻磁場的屏蔽系數(shù)為2×106；②美國麻省理工學院與哈佛大學聯(lián)合生物醫(yī)學中心的MSR；③日本超導實驗室的COSMOS；④德國聯(lián)邦物理研究院PTB的BMSR；⑤芬蘭的赫爾辛基大學的MSR。

德國國家物理技術研究院PTB的零磁實驗室(Berlin Magnetically Shielded Room，BMSR-2)是當前世界上性能最優(yōu)的零磁實驗室，由德國PTB、德國西門子公司、德國VAC公司三家機構于2004年聯(lián)合建設[9]。該零磁室主要開展生物磁學、磁性納米粒子、微觀粒子電偶極矩的研究。零磁室由1層射頻屏蔽、主動補償線圈、7層坡莫合金和1層鋁組成，最內屏蔽層外觀及室內情況如圖1所示，其內部尺寸為2.9 m×2.9 m×2.9 m，建筑尺寸為15 m×15 m×15 m。零磁室的0.01 Hz低頻被動屏蔽系數(shù)為75 000，與線圈系統(tǒng)配合的綜合屏蔽系數(shù)可達到2×106，5 Hz下的綜合屏蔽系數(shù)達到108。經(jīng)退磁后，內部剩余靜磁場低至0.9 nT，磁場噪聲低至5 fT/Hz1/2(5 Hz)[10]。該裝置在當時刷新了靜態(tài)屏蔽與動態(tài)屏蔽的世界指標，并至今保持“世界上最好的零磁室”稱號。

圖1 德國PTB的BMSR-2Fig.1 BMSR-2 of PTB in Germany

德國PTB在此之前已經(jīng)建立了一間零磁裝置BMSR[6]。該零磁室內部尺寸為2.25 m×2.25 m×2.25 m，外部尺寸為4.6 m×4.6 m×4.6 m，0.01～10 Hz被動屏蔽系數(shù)達到10 000，1 Hz下的磁場噪聲約100 fT/Hz1/2。此多層屏蔽室為德國PTB零磁實驗室的研究打下了重要基礎。

美國麻省理工學院與哈佛大學聯(lián)合生物醫(yī)學中心的MSR由瑞士公司Imedco于2002年建立[11]。零磁室如圖2所示，內部尺寸為4.0 m×3.0 m×2.4 m，外部尺寸為5.3 m×4.3 m×4.1 m。該零磁室包括3層，每層由高導磁材料和高電導材料組成。被動屏蔽因數(shù)S分別為1630(0.01 Hz)、 3600(0.1 Hz)，2.4×105(1 Hz)，7.8×107(10 Hz)。結合主動屏蔽系統(tǒng)，屏蔽因數(shù)增大約6～10倍(0.1 Hz)。該裝置主要開展生物磁學的研究，其建設發(fā)起人D.Cohen教授是在近零磁環(huán)境下研究生物磁場的開拓者，被SCIENCE雜志譽為腦磁圖之父。

圖2 美國MIT零磁室Fig.2 MSR of MIT in America

日本超導傳感器實驗室是由若干個日本大學與科研單位聯(lián)合組成的實驗室研制，目前該實驗室已經(jīng)解散，其建設的COSMOS零磁實驗室如圖3所示[7]。零磁室由4層高導磁材料和1層鋁構成，形狀類似足球，內部直徑約4 m，外部直徑約6.1 m，其屏蔽系數(shù)在32 Hz時達到最大為1 700 000，在1 Hz時為420 000。COSMOS在0.3～300 Hz范圍內的屏蔽能力很好，而在更高的頻域范圍，屏蔽系數(shù)由于趨膚效應存在有所降低。

圖3 日本COSMOS零磁室Fig.3 COSMOS in Japan

芬蘭赫爾辛基大學低溫實驗室與芬蘭技術研究中心的儀器實驗室共同建立了零磁室[6]。該零磁室用于磁力計的檢測、退磁研究、地球物理研究樣本的測量、人體電流產(chǎn)生的弱磁場的測量等。零磁室如圖4所示，內部尺寸為2.45 m×2.8 m×3.15 m。屏蔽室經(jīng)過退磁處理后，內部磁場約5 nT，對應靜態(tài)屏蔽因數(shù)約10 000。

圖4 芬蘭零磁室Fig.4 MSR in Finland

3 國內近零磁環(huán)境裝置

我國最早的零磁裝置是中國計量科學研究院于1966年建立的臥佛寺弱磁實驗室，作為弱磁場下的核磁共振研究課題之用，并于1978年獲得全國科技大會獎[12]。

1988年7月，中國地震局地球物理所與鋼鐵研究總院聯(lián)合設計建造的零磁空間實驗室竣工[13]。該零磁室為類球面體，如圖5所示，采用高導磁率的坡莫合金屏蔽，總重量約6 t，內部直徑約為2 m，磁場噪聲為0.89×10-12T/Hz1/2。該零磁室主要用于巖石磁性、生物磁性的探測及高精度磁強計的標定等。然而近年來隨著周圍環(huán)境的改變，該零磁室指標有所下降。

圖5 中國地震局零磁空間實驗室室Fig.5 MSR in China Earthquake Administration

2001年，國防軍工計量科研項目“交變弱磁場標準裝置”由中船重工第710所磁學實驗室(國防科技工業(yè)弱磁一級計量站)承擔，并與俄羅斯門捷列夫計量院開展技術合作[14]。裝置采用屏蔽筒實現(xiàn)零磁環(huán)境，如圖6所示，并在屏蔽筒內設置線圈。2004年弱磁范圍為1×10-8～3×10-6T(10 Hz～1 kHz)；2008年降低至1×10-11～3×10-6T(10 Hz～1 kHz)。該裝置的空間尺寸為Ф18.8 mm×480 mm，主要用于磁測量儀器的標定。

圖6 中船重工的交變弱磁裝置Fig.6 AC weak magnetic field facility in Magnetism Laboratory of CISC-No.710 R&D Institute

4 近零磁環(huán)境裝置的最新進展

2011年，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)設計建造了目前世界上體積最大的零磁裝置[15]，建設目標是滿足散裂中子源的中子自旋回波光譜儀的需求。由于光譜儀需在離中子源不同的位置工作，零磁室的覆蓋體積達到了長度17 m、寬度5.5 m、高度4.4 m，如圖7所示。零磁室的要求關鍵是高均勻性，即內部磁場梯度小，而其低頻屏蔽因子100即可滿足應用需求。由于光譜儀對高頻磁場干擾不敏感，該裝置不需要高電導率屏蔽層屏蔽高頻磁場。但裝置具有輻照屏蔽，采用300 mm厚度的混凝土層，吸收中子俘獲反應引起的散亂的中子和γ射線。由此可見，ORNL的零磁裝置具有其獨特特點。

圖7 美國ORNL零磁室Fig.7 MSR of ORNL in USA

2012年，美國斯坦福大學建設了大長徑比圓柱形的零磁裝置，目的是通過原子干涉測量研究廣義相對論中的愛因斯坦等效原理[16]。該裝置內部尺寸為Ф8.7 m×0.18 m，由3層屏蔽組成，內部徑向磁場為42 nT，兩個橫向方向的磁場分別為46 nT、73 nT。該裝置通過焊接后統(tǒng)一熱處理屏蔽材料，將屏蔽性能提高了100倍。

2014年，德國慕尼黑大學最新建設的近零磁環(huán)境裝置采用了最新的設計與工藝，裝置內部磁場均勻度在同等尺寸裝置中排名世界第一，該裝置主要用于微觀粒子固有電偶極矩的研究[17]。裝置僅由2層坡莫合金組成，內部空間為2.50 m×2.78 m×2.30 m，結構如圖8所示。裝置中心1 m×1 m×1 m區(qū)域的磁場梯度<700±200 pT；距離屏蔽門60 cm處，剩余靜磁場已經(jīng)<1 nT；距離直徑<6 cm的空洞5 cm處，剩余磁場已經(jīng)<3 nT；顯示了較大體積下的良好磁場均勻度。

圖8 德國TUM的MSRFig.8 MSR of TUM in Germany

5 結論

隨著最新科學研究的發(fā)展，近零磁場裝置已不僅用于生物磁圖、巖石磁學的研究，更逐步成為航空航天技術、基本物理學等方面研究的不可或缺的極端環(huán)境條件。近零磁環(huán)境裝置的指標需求也逐步提升，并根據(jù)不同的應用背景具有特殊的功能要求。從技術層面而言，國際上已經(jīng)能夠僅用2層或3層屏蔽即在房屋尺寸的空間中實現(xiàn)nT量級剩余磁場和fT量級磁場噪聲，而國內近零磁場裝置甚至還未有健全的性能參數(shù)測量與評價體系，屏蔽系數(shù)、剩余磁場、磁場噪聲等關鍵參數(shù)更有待提高。

近零磁場環(huán)境裝置還有若干關鍵技術問題未能解決，國際一流水平的零磁/弱磁環(huán)境裝置仍存在設計指標與實際性能具有巨大差別的問題。屏蔽材料的導磁特性、屏蔽性能的理論計算、應力、溫度、振動等對磁場噪聲的影響、屏蔽材料的退磁技術等方面還存在未解決的科學問題。隨著高新科學技術研究的需求發(fā)展，近零磁場環(huán)境的關鍵技術問題需開展深入研究，提升我國的近零磁場環(huán)境裝置建設能力刻不容緩。近年來，我國在基本物理、空間物理、地球物理、生物物理、航天工程技術、磁測量技術等多方面都提出了對高水平近零磁環(huán)境的需求，這將是提升我國近零磁場環(huán)境實現(xiàn)技術與相關應用領域研究的國際地位的良好契機。

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Status Reviews for Nearly Zero Magnetic Field Environment Facility

LiLiyiSunZhiyinPanDonghuaLiuJiaxiLiuTianhao

(School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China)

The special environment in which the magnetic field is very weak and even nearly to zero hasunique and important applications in scientific and technology research.Through passive magnetic shielding，active compensation and other approaches，nearly zero magnetic fields can be realized in the ground condition with geomagnetic field and variable magnetic disturbances.Some high level nearly zero magnetic field environment facilities have been built in the world，and domestic researchers also have achieved some developments.Considering the recent developments in this field，the status reviews of these facilities including the construction design and performances are presented.

Nearly zero magnetic field，weak magnetic field，magnetic shielding，space magnetic field

國家自然科學基金青年科學基金(51407048)和哈爾濱工業(yè)大學科研創(chuàng)新基金(HIT.NSRIF 2013014)資助項目。

2015-01-04 改稿日期2015-03-07

TM15

李立毅 男，1969年生，教授，博士生導師，研究方向為特種電磁裝置系統(tǒng)。(通信作者)

孫芝茵 女，1990年生，博士研究生，研究方向為近零磁場、微弱磁場實現(xiàn)技術。