潘志兵，謝勇輝，帥濤，陳鵬飛，裴雨賢，潘曉燕，趙陽(yáng)，徐昊天，林傳富

新型高性能磁屏蔽系統(tǒng)在被動(dòng)型氫原子鐘上的應(yīng)用

潘志兵1,2，謝勇輝1，帥濤1，陳鵬飛1，裴雨賢1，潘曉燕1，趙陽(yáng)1，徐昊天1，林傳富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)院大學(xué)，北京 100049）

磁屏蔽系統(tǒng)有效地屏蔽了地球磁場(chǎng)和空間雜散磁場(chǎng)對(duì)氫原子躍遷信號(hào)的干擾，在被動(dòng)型氫原子鐘中發(fā)揮著重要作用。一種高性能磁屏蔽材料構(gòu)建的新型磁屏蔽系統(tǒng)在被動(dòng)型氫原子鐘投入使用，磁屏蔽系數(shù)、磁滯回線、抗磁化能力以及磁敏感度等各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試都優(yōu)于傳統(tǒng)磁屏蔽系統(tǒng)。新型磁屏蔽系統(tǒng)的重量?jī)H為傳統(tǒng)磁屏蔽系統(tǒng)的80%，從而減輕了整機(jī)的重量。新型磁屏蔽系統(tǒng)的應(yīng)用，為被動(dòng)型氫原子鐘實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高信噪比的氫原子躍遷信號(hào)，以及保持其高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定度的時(shí)頻信號(hào)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

被動(dòng)型氫原子鐘；高性能磁屏蔽系統(tǒng)；磁屏蔽系數(shù)；磁滯回線；抗磁化能力；磁敏感度

0 引言

被動(dòng)型氫原子鐘使用基態(tài)氫原子自（= 1，F(xiàn)= 0）態(tài)至（= 0，F(xiàn)= 0）態(tài)的超精細(xì)能級(jí)躍遷譜線對(duì)壓控晶振進(jìn)行鑒頻鎖定，從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度和低漂移率的時(shí)頻信號(hào)輸出，并用于高精度計(jì)時(shí)。目前其長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度可達(dá)3×10-15/d，頻率漂移率小于5×10-15/d，已在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)如北斗系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

被動(dòng)型氫原子鐘的工作磁場(chǎng)一般約為100 nT（1 mGauss），遠(yuǎn)小于地球磁場(chǎng)和周圍空間雜散磁場(chǎng)，同時(shí)被動(dòng)型氫原子鐘一般會(huì)使用鈦泵維持其高真空度，而后者帶有較大磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁鐵，因此好的磁屏蔽系統(tǒng)是非常必要的。為了屏蔽地球磁場(chǎng)和其他空間雜散磁場(chǎng)對(duì)原子躍遷的干擾，被動(dòng)型氫原子鐘一般采用高磁導(dǎo)率并經(jīng)過(guò)細(xì)致熱處理和大電流退磁后的坡莫合金（permalloy）同軸圓柱筒構(gòu)建磁屏蔽系統(tǒng)，以達(dá)到較好的屏蔽效果[3]。

被動(dòng)型氫原子鐘物理部分結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖中可知，內(nèi)層磁屏蔽、中層磁屏蔽和外層磁屏蔽同軸線放置，共同組成了磁屏蔽系統(tǒng)，微波諧振腔位于內(nèi)層磁屏蔽內(nèi)部，原子運(yùn)動(dòng)區(qū)域原子儲(chǔ)存泡位于微波諧振腔內(nèi)部。內(nèi)層磁屏蔽的直徑約為10 cm，高度約為20 cm。中層磁屏蔽的直徑約為11 cm，高度約為22 cm。外層磁屏蔽的直徑約為12 cm，高度約為24 cm。每層磁屏蔽的厚度均為1 mm，3個(gè)磁屏蔽筒同軸線等間距放置。

圖1 被動(dòng)型氫原子鐘物理部分結(jié)構(gòu)圖

磁屏蔽材料本身的剩余磁場(chǎng)要盡可能地小。磁屏蔽系統(tǒng)的性能決定了其抵抗外部磁干擾的能力，進(jìn)而影響氫原子鐘原子躍遷信號(hào)幅度及其信噪比，磁屏蔽系統(tǒng)的質(zhì)量與被動(dòng)型氫原子鐘的性能指標(biāo)息息相關(guān)。

1 磁屏蔽系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

被動(dòng)型氫原子鐘的躍遷譜線頻率可用式（1）表示：

對(duì)式（1）求偏導(dǎo)，可得到式（2）[4]:

坡莫合金主要成分是鐵和鎳，其最大特點(diǎn)是具有很高的弱磁場(chǎng)磁導(dǎo)率，其含鎳量不同其性能也有所差異。對(duì)于三層同軸圓柱形磁屏蔽筒，其橫向屏蔽因子可用下式（3）計(jì)算[5-6]：

式（3）中，和分別是屏蔽外和屏蔽內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，,,分別是自內(nèi)向外三層磁屏蔽筒材料的磁導(dǎo)率，其余符號(hào)的意義如圖2所示。屏蔽因子隨等參數(shù)的大小不同而不同。

對(duì)于三層同軸圓柱形磁屏蔽筒，其橫向屏蔽因子還可以簡(jiǎn)單表示為式（4）[7-8]:

本單位被動(dòng)型氫原子鐘使用的新型磁屏蔽系統(tǒng)和傳統(tǒng)磁屏蔽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上基本一致，兩者的差異主要在于新型磁屏蔽筒采用了新型特種坡莫合金材料，其重量?jī)H為傳統(tǒng)磁屏蔽系統(tǒng)的80%，且磁屏蔽系數(shù)更高，磁滯回線更“窄”更“瘦”，抗磁干擾能力和抗磁化能力均有較大提升，為在微波腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高信噪比的氫原子躍遷信號(hào)創(chuàng)造了良好的條件。

2 磁屏蔽系統(tǒng)的性能測(cè)試

2.1 磁屏蔽系數(shù)

為了測(cè)試磁屏蔽系統(tǒng)的屏蔽系數(shù)，首先將三層圓柱形的磁屏蔽筒呈軸對(duì)稱狀態(tài)組裝固定[9]，并保持各個(gè)屏蔽層之間相互絕緣。磁屏蔽筒在裝配完成后需要用低頻大電流退磁，以去掉磁屏蔽筒中的剩磁，并改善磁場(chǎng)均勻度[10]。

在測(cè)量磁屏蔽系數(shù)的過(guò)程中，磁屏蔽系統(tǒng)空間內(nèi)部各點(diǎn)的磁屏蔽系數(shù)是不一樣的，某個(gè)具體位置的磁屏蔽系數(shù)無(wú)法充分代表整個(gè)磁屏蔽系統(tǒng)的指標(biāo)。被動(dòng)型氫原子鐘諧振腔部分只占磁屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部的一部分，原子的運(yùn)動(dòng)區(qū)域原子儲(chǔ)存泡又只占諧振腔內(nèi)部的一部分，因此總體來(lái)說(shuō)原子儲(chǔ)存泡所在位置的磁屏蔽系數(shù)較為均勻一致。同時(shí)，原子的運(yùn)動(dòng)區(qū)域原子儲(chǔ)存泡的長(zhǎng)度約為10 cm，而高精度磁強(qiáng)計(jì)的探頭長(zhǎng)度約為5 cm，探頭長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以選擇將磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在原子儲(chǔ)存泡的正中央處，以此處測(cè)量得到的磁屏蔽系數(shù)作為較為均衡的磁屏蔽系數(shù)指標(biāo)。

表1 傳統(tǒng)磁屏蔽筒磁屏蔽系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 新型磁屏蔽筒磁屏蔽系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

由此可知，采用新型材料的新型磁屏蔽筒磁屏蔽系數(shù)得到了極大提高，可對(duì)被動(dòng)型氫原子鐘復(fù)雜的周圍雜散磁場(chǎng)提供更優(yōu)秀的磁屏蔽效果。

2.2 磁滯回線

圖3 傳統(tǒng)和新型磁屏蔽筒磁滯回線測(cè)量數(shù)據(jù)

從圖3的數(shù)據(jù)可知，新型磁屏蔽筒的磁滯回線更“窄”更“瘦”，在同樣的外界磁場(chǎng)干擾下，能更大程度保持被動(dòng)型氫原子鐘微波腔的磁環(huán)境。

2.3 抗磁化能力測(cè)試

2.3.1 外部抗磁化能力測(cè)試

被動(dòng)型氫原子鐘在長(zhǎng)期工作過(guò)程中會(huì)不斷受到外界干擾磁場(chǎng)的影響，可能會(huì)導(dǎo)致磁屏蔽系統(tǒng)被重新磁化[17]。因此，有必要檢驗(yàn)磁屏蔽系統(tǒng)在外界干擾磁場(chǎng)作用下的磁性能保持情況。

測(cè)量中采用亥姆霍茲線圈模擬外部磁場(chǎng)干擾。模擬實(shí)驗(yàn)步驟如下：

① 從恒流電源輸入到亥姆霍茲線圈的電流從0 A開(kāi)始，每1 s遞增0.01 A，一直增加到3 A，對(duì)應(yīng)最大外加磁場(chǎng)為240 μT，此后從3 A每1 s遞減0.01 A，直到電流輸入為0 A，完成一次掃描。

② 在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)重復(fù)步驟①，即可完成正方向磁場(chǎng)的循環(huán)掃描。

③ 此后更換恒流電流的輸入方向，此時(shí)最大外加磁場(chǎng)為-240 μT，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)重復(fù)步驟①和步驟②，即可完成反方向磁場(chǎng)的循環(huán)掃描。

④ 在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)反復(fù)進(jìn)行步驟①~③，即可完成外部磁場(chǎng)干擾的模擬測(cè)試。

圖4 模擬外部干擾磁場(chǎng)測(cè)試的傳統(tǒng)磁屏蔽筒中心處磁場(chǎng)數(shù)據(jù)

圖5 模擬外部干擾磁場(chǎng)測(cè)試的新型磁屏蔽筒中心處磁場(chǎng)數(shù)據(jù)

2.3.2 內(nèi)部抗磁化能力測(cè)試

被動(dòng)型氫原子鐘磁屏蔽系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有場(chǎng)線圈，在特定測(cè)試場(chǎng)景下會(huì)產(chǎn)生數(shù)百倍于基態(tài)氫原子躍遷所需磁場(chǎng)（約100 nT）的強(qiáng)磁場(chǎng)，易導(dǎo)致磁屏蔽系統(tǒng)被磁化。因此磁屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)部抗磁化能力也是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。

為了測(cè)試磁屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)部抗磁化能力，將在場(chǎng)線圈上依次施加不同方向不同大小的電壓，從而產(chǎn)生強(qiáng)度較高的內(nèi)部干擾磁場(chǎng)。測(cè)試前標(biāo)定內(nèi)部剩余磁場(chǎng)，測(cè)試后再次標(biāo)定內(nèi)部剩余磁場(chǎng)，從而判斷磁屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)部抗磁化能力。在測(cè)試過(guò)程中，將分別進(jìn)行循環(huán)掃描測(cè)試和定值壓力測(cè)試兩項(xiàng)測(cè)試。

表3和表4分別展示了這兩種磁屏蔽筒內(nèi)部抗磁化能力的循環(huán)掃描測(cè)試數(shù)據(jù)。在循環(huán)掃描測(cè)試過(guò)程中，場(chǎng)電壓從0~2 V變化，每次變化0.01 V，每次變化維持1 s，循環(huán)維持長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)的測(cè)試時(shí)間，施加過(guò)程中最大磁場(chǎng)約為120 000 nT，并測(cè)定正向和反向兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)。

對(duì)于傳統(tǒng)磁屏蔽筒，其內(nèi)部抗磁化能力的循環(huán)掃描測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。在正向循環(huán)掃描過(guò)程中，傳統(tǒng)磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為-14.4 nT和+1.3 nT，其磁場(chǎng)變化量為+15.7 nT。在反向循環(huán)掃描過(guò)程中，傳統(tǒng)磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為+1.3 nT和-7.9 nT，其磁場(chǎng)變化量為-9.2 nT。

表3 傳統(tǒng)磁屏蔽筒內(nèi)部抗磁化能力循環(huán)掃描測(cè)試

對(duì)于新型磁屏蔽筒，其內(nèi)部抗磁化能力的循環(huán)掃描測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。在正向循環(huán)掃描過(guò)程中，新型磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為-26.9 nT和-25.8 nT，其磁場(chǎng)變化量為+1.1 nT。在反向循環(huán)掃描過(guò)程中，新型磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為-25.8 nT和-26.6 nT，其磁場(chǎng)變化量為-0.8 nT。

表4 新型磁屏蔽筒內(nèi)部抗磁化能力循環(huán)掃描測(cè)試

由表3和表4的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，新型磁屏蔽筒在循環(huán)掃描測(cè)試過(guò)程中其內(nèi)部抗磁化能力遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)磁屏蔽筒。

表5和表6分別展示了這兩種磁屏蔽筒內(nèi)部抗磁化能力的定值壓力測(cè)試數(shù)據(jù)。在定值壓力測(cè)試過(guò)程中，場(chǎng)線圈上施加了較高的2 V定值電壓，產(chǎn)生約為120 000 nT的磁場(chǎng)，保持長(zhǎng)達(dá)30 min的施加時(shí)間，并測(cè)定正向和反向兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)，以判斷強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)磁屏蔽系統(tǒng)的影響。

對(duì)于傳統(tǒng)磁屏蔽筒，其內(nèi)部抗磁化能力的定值壓力測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。在正向定值壓力測(cè)試過(guò)程中，傳統(tǒng)磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為+3.6 nT和-3.6 nT，其磁場(chǎng)變化量為-7.2 nT。在反向定值壓力測(cè)試過(guò)程中，傳統(tǒng)磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為-3.6 nT和+3.3 nT，其磁場(chǎng)變化量為+6.9 nT。

表5 傳統(tǒng)磁屏蔽筒內(nèi)部抗磁化能力定值壓力測(cè)試

對(duì)于新型磁屏蔽筒，其內(nèi)部抗磁化能力的定值壓力測(cè)試數(shù)據(jù)如表6所示。在正向定值壓力測(cè)試過(guò)程中，新型磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為-27.6 nT和-24.3 nT，其磁場(chǎng)變化量為+3.3 nT。在反向定值壓力測(cè)試過(guò)程中，新型磁屏蔽筒測(cè)試前后的內(nèi)部剩余磁場(chǎng)分別為-24.3 nT和-26.9 nT，其磁場(chǎng)變化量為-2.6 nT。

表6 新型磁屏蔽筒內(nèi)部抗磁化能力定值壓力測(cè)試

由表5和表6的數(shù)據(jù)可知，新型磁屏蔽筒在定值壓力測(cè)試過(guò)程中其內(nèi)部抗磁化能力也優(yōu)于傳統(tǒng)磁屏蔽筒。

3 磁屏蔽系統(tǒng)在氫鐘的應(yīng)用

完成傳統(tǒng)和新型磁屏蔽筒的磁屏蔽系數(shù)，磁滯回線以及抗磁化能力測(cè)試后，將其依次安裝在同一臺(tái)被動(dòng)型氫原子鐘上，并將其作為唯一可變量。被動(dòng)型氫原子鐘整機(jī)放置在亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域，其鎖定后，輸出的10 MHz信號(hào)與參考源信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可進(jìn)行整機(jī)輸出頻率磁敏感度指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)試框圖如圖6所示。

圖6 被動(dòng)型氫原子鐘磁敏感度測(cè)試框圖

在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)亥姆霍茲線圈依次施加正方向和反方向大小為200 μT的外界磁場(chǎng)，按照“外界磁場(chǎng)為0→外界磁場(chǎng)為+200 μT→外界磁場(chǎng)為0→外界磁場(chǎng)為-200 μT→外界磁場(chǎng)為0”進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試其輸出頻率的變化，即可計(jì)算得出整機(jī)的磁敏感度指標(biāo)。

裝備傳統(tǒng)磁屏蔽系統(tǒng)的整機(jī)磁敏感度，一般情況下約為2×10-9/T（2×10-13/Gauss）。

圖7和圖8展示了裝備新型磁屏蔽系統(tǒng)的整機(jī)磁敏感度測(cè)量數(shù)據(jù)。從圖8數(shù)據(jù)可知，新型磁屏蔽筒的磁敏感度為5.78×10-10/T（5.78×10-14/Gauss），優(yōu)于傳統(tǒng)磁屏蔽系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

圖7 新型磁屏蔽筒磁敏感度測(cè)量數(shù)據(jù)（0 T）

圖8 新型磁屏蔽筒磁敏感度測(cè)量數(shù)據(jù)（左：+200 μT，右：-200 μT）

4 結(jié)語(yǔ)

被動(dòng)型氫原子鐘的發(fā)展方向是在進(jìn)一步提高其性能指標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其更小體積和更輕重量。以新型磁屏蔽材料為核心構(gòu)建的新型高性能磁屏蔽系統(tǒng)使用了三層磁屏蔽筒設(shè)計(jì)，其體積和傳統(tǒng)磁屏蔽筒相當(dāng)，但其重量大大減輕，僅為傳統(tǒng)磁屏蔽筒的80%，其磁屏蔽系數(shù)可達(dá)70 000以上，磁滯回線更優(yōu)，抗磁化能力更強(qiáng)，整機(jī)磁場(chǎng)敏感度優(yōu)于1×10-9/T（1×10-13/Gauss），為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高信噪比的原子躍遷信號(hào)和高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的被動(dòng)型氫原子鐘時(shí)頻信號(hào)提供了堅(jiān)實(shí)保障。

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Application of new high-performance magnetic shielding assembly in passage hydrogen maser

PAN Zhi-bing1,2, XIE Yong-hui1, SHUAI Tao1, CHEN Peng-fei1, PEI Yu-xian1,PAN Xiao-yan1, ZHAO Yang1, XU Hao-tian1, LIN Chuan-fu1

(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The magnetic shielding assembly plays an important role in passive hydrogen maser (PHM), and effectively shields the interference of the earth’s magnetic field and the space stray magnetic field on the hydrogen atom transition signal. A new type of magnetic shielding assembly constructed with high-performance magnetic shielding material is applied in PHM. It is better than the traditional one in various aspects, such as magnetic shielding coefficient, hysteresis loop, anti-magnetization ability, and magnetic sensitivity. In addition, the new magnetic shielding assembly weighs only 80% of the traditional one, and thus reduce the weight of PHM. The new magnetic shielding assembly provides better magnetic environment for the PHM to achieve high-quality and high signal-to-noise ratio hydrogen atom transition signals and maintain its high accuracy and high stability of oμTpμT signals of PHM.

passive hydrogen maser; high-performance magnetic shielding assembly; magnetic shielding coefficient; hysteresis loop; anti-magnetization ability; magnetic sensitivity

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-01-0045-10

潘志兵, 謝勇輝, 帥濤, 等. 新型高性能磁屏蔽系統(tǒng)在被動(dòng)型氫原子鐘上的應(yīng)用[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(1): 45-54.

2020-04-28；

2020-06-19

中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署資助項(xiàng)目（Y883051）