胡瑞雪，韓雪艷, 趙占良，趙 飛，李仕華，*

(1.河北交通職業(yè)技術學院，河北 石家莊 050035；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004；3.河北省電磁環(huán)境工程技術研究中心，河北 石家莊 052160)

0 引言

目前，航天工程(如航天器在空間弱磁場產生的干擾磁力矩對自身姿態(tài)的影響[1]、空間弱磁場對航天員的影響機理與規(guī)律[2]、弱磁生物學效應研究[3-4])、空間并聯(lián)指向機構的應用[5]、地磁導航技術及半地面模擬實驗平臺[6]、地磁異常探測技術[7](反潛探測)、前沿醫(yī)學研究(基于弱磁信號探測的腦科學研究、人體心臟產生的磁場信號探測[8]等)等方面都需要一個極低磁場值(在1～100 nT)的空間磁場環(huán)境，而地磁場是地球附近普遍存在的一種場，其均值約為50 000 nT。因此，需設計和建造可以實現(xiàn)nT級磁場空間的大型磁屏蔽室以滿足科研的空間磁場要求。

現(xiàn)在，國外已經建成的著名的大型磁屏蔽室有德國PTB七層結構的BMSR-2方形磁屏蔽室[9]，日本四層結構類似足球形狀的COSMOS異型磁屏蔽室[10]等；國內在1988年國家地震局地球物理所與鋼鐵研究總院聯(lián)合設計建造了重達6 t的磁屏蔽室[11]。在國際上已經能夠用2層或3層屏蔽實現(xiàn)房屋尺寸剩磁為nT量級的磁場空間環(huán)境。從現(xiàn)有文獻和國內工程實踐可知，國內屏蔽室建造工藝水平和指標與國際相比還有一定的差距。盡管如此，國內外的磁屏蔽室也同樣存在設計屏蔽系數(shù)和實際屏蔽系數(shù)相差巨大的問題，如日本COSOMS磁屏蔽室設計屏蔽系數(shù)為200 000@0.01Hz，而實際只有16 000[10]；中船重工760研究所建造的尺寸為6 m×3 m×3 m的磁屏蔽室，設計層數(shù)為3層實現(xiàn)100 nT內部剩磁指標，但建造層數(shù)增加到8層才實現(xiàn)了設計指標。這種問題的存在使大型磁屏蔽室在設計建造中存在很大的不確定性，分析原因主要是磁屏蔽室整體磁導率參數(shù)的不準確性引起的，但國內外對磁屏蔽室磁導率參數(shù)研究很少。

本文采用了理論分析和實驗驗證的方法，針對特定拼接結構的大型磁屏蔽室設計結構分別考慮影響其整體磁導率的主要因素建立相應的樣件模型，通過構建低磁場干擾的磁導率測試系統(tǒng)，對該結構磁屏蔽室整體磁導率進行探索研究，找到了大型磁屏蔽室屏蔽系數(shù)理論計算不確定性的原因，通過實驗得出了該結構的大型磁屏蔽室整體磁導率數(shù)據(jù)，提出采用整體磁導率計算屏蔽系數(shù)，為大型nT級磁屏蔽室屏蔽系數(shù)的計算提供了一種設計方法。

1 磁屏蔽原理

由磁場方程的邊界條件[12]式(1)可以得出磁感應線在介質分界面處的折射定理式(2)，參見圖1所示。

(1)

式中,B1、B2為介質內磁感應強度；H1、H2為介質內磁場強度；n為界面法向矢量。

(2)

式中,θ1、θ2為磁感應線與界面法線的夾角；μ1、μ2為磁介質的磁導率。通過式(2)可知，若介質2為鐵磁質，介質1為空氣時(μ2?μ1，tanθ2?tanθ1)，則θ2≈90°，θ1≈0°，這時在弱磁物質一側磁感應線和磁場線幾乎與界面垂直，而在鐵磁質一側磁感應線和磁場線幾乎與界面平行，從而磁感應線集中在其內部，鐵磁質的這種性質為磁屏蔽的設計提供了可能性。

圖1 磁感應線在介質邊界的傳播示意圖

Fig.1 A diagram of the transmission of magnetic induction lines at boundary of the media

基于以上分析可知磁場中的屏蔽設計方法與高頻電磁波不同，其可以用并聯(lián)磁路理論來設計。其模型如圖2(a)所示，一磁阻為Rr的屏蔽球殼位于磁場強度為H1空氣磁場中，屏蔽后球殼內磁場為Hr，這里空氣的磁阻為R1，根據(jù)磁路定理，其簡化計算模型如圖2(b)所示。此時由于屏蔽球殼磁阻很小(μr很大)形成磁力線的分流旁路，從而使大部分磁力線通過其內部，而另一空氣磁路磁阻較大(μ1很小)使得磁力線較少進入該目標區(qū)域，從而達到屏蔽的目的。

圖2 磁屏蔽原理圖

Fig.2 Illustrative diagram of magnetic shielding

2 磁屏蔽室整體磁導率

2.1 大型磁屏蔽室結構

為了得到nT級的剩磁指標，大型磁屏蔽室整體設計常采用多層嵌套的設計結構，如圖3所示，其各層屏蔽墻采用高性能坡莫合金1J85拼接而成，如圖4所示。

圖3 多層磁屏蔽室結構示意圖

Fig.3 Schematic drawing of multi-layermagnetic shielding room

圖4 屏蔽墻結構示意圖

Fig.4 Schematic drawing of shielding wall

2.2 屏蔽系數(shù)計算不確定性的理論分析

目前對于磁屏蔽室的工程計算可以采用公式計算或建立數(shù)字模型仿真計算[13]，文獻[14]針對無限長多層圓柱屏蔽體進行了研究并給出了相應的計算公式。文獻[15]給出單層或多層球形屏蔽裝置的計算公式：

(3)

(4)

式中，Si為第i層屏蔽球殼的屏蔽系數(shù)；Sn為n層屏蔽球殼的總的屏蔽系數(shù)；Ri為第i層屏蔽球殼的內徑；ti為第i層屏蔽球殼的厚度；μr為屏蔽球殼的磁導率。

無論是采用公式計算還是采用數(shù)字模型仿真計算，對于計算模型參數(shù)的基本要求是符合實際情況且準確無誤，從式(3)～(4)中可以看出基本計算參數(shù)中Ri、ti可以做到較為準確，但是對于磁屏蔽室屏蔽墻磁導率μr的數(shù)值，國內外計算時一直采用建造材料(如1J85)的磁導率數(shù)值進行計算，而對于拼接式屏蔽墻其整體磁導率數(shù)值和材料磁導率數(shù)值存在一定差異從而造成屏蔽系數(shù)的計算不確定性。針對磁屏蔽室多層嵌套、屏蔽墻拼接的結構對其屏蔽墻的整體磁導率主要影響因素分析如下：

1)建造屏蔽墻的軟磁材料1J85在微弱磁場(<0.08 A/m)下磁導率數(shù)據(jù)的缺失。

目前國內外沒有發(fā)現(xiàn)小于0.08 A/m微弱磁場環(huán)境下測得的材料磁導率數(shù)據(jù)。對于軟磁材料，磁導率本身為非線性的，其磁導率數(shù)值由其工作的外部磁場確定。如前所述對于nT級磁屏蔽室一般采用多層嵌套的屏蔽結構，最外面屏蔽墻材料工作在地球磁場內(其值約為50 000 nT)，內部屏蔽墻材料工作磁場會越來越低(其值在100 nT～幾nT)，內層材料隨著工作磁場的降低其磁導率數(shù)值越來越低，往往最內層屏蔽墻實際會工作在幾nT的微弱磁場下，在計算時都采用0.08 A/m甚至更高磁場下材料的磁導率數(shù)值顯然是不準確的，內層屏蔽墻整體磁導率會比計算使用磁導率低很多。

2)沒有考慮屏蔽墻拼接結構造成的非連續(xù)性而引入的氣隙對其整體磁導率的影響。

由于屏蔽板寬幅、加工運輸及退火設備的限制，大型nT級磁屏蔽裝置屏蔽層采用單塊材料相互拼接組裝成屏蔽墻(如圖4所示)，特別是國內材料寬幅(現(xiàn)有屏蔽板最大寬幅300 mm)和退火設備(現(xiàn)有設備最大容積Φ600 mm×1 200 mm罩式爐)的限制使得屏蔽墻拼接氣隙更多。在設計計算中不考慮屏蔽墻氣隙漏磁的影響，從而導致屏蔽因數(shù)計算結果偏大。

2.3 磁屏蔽室磁導率參數(shù)的改進

由第2.2節(jié)分析可知，磁屏蔽室屏蔽系數(shù)理論計算的不確定性主要是磁導率數(shù)據(jù)的不準確性引起的。要提高屏蔽系數(shù)工程計算的準確性，計算所采用的磁導率數(shù)值應該考慮大型磁屏蔽室的多層嵌套、屏蔽墻拼接的實際結構和由于拼接的非連續(xù)性而引入的氣隙這兩個主要的影響因素。

工程計算在采用式(3)～(4)或數(shù)字模型仿真計算時，應該采用每層屏蔽墻的整體磁導率而不是采用理想建造材料的磁導率進行計算，且屏蔽墻的整體磁導率應考慮上述的影響因素。磁屏蔽墻的整體磁導率可以根據(jù)屏蔽墻實際結構建立樣件模型在低磁場干擾的環(huán)境下實際測試得到其數(shù)據(jù)。

3 整體磁導率實驗及分析

3.1 屏蔽墻樣件模型

磁屏蔽室屏蔽墻整體磁導率樣件模型的建立要充分考慮其多層嵌套和拼接非連續(xù)性的實際結構。本文為了方便分析，把兩個影響因素逐一分解，分別建立樣件模型實驗測試，對比其結果驗證對上述分析的正確性。

多層拼接連續(xù)樣件模型如圖5所示，采用5層1 mm厚1J85材料制成的閉合圓環(huán)，在氫氣爐中采用規(guī)定工藝退火后疊加而成，用于模擬在微弱磁場工作狀態(tài)下的屏蔽墻，測試其磁導率，獲得連續(xù)結構屏蔽墻的整體磁導率數(shù)值，與同樣幾何參數(shù)和退火工藝的實心樣件對比用于評定層間氣隙和微弱磁場的影響效果。

圖5 多層拼接連續(xù)樣件模型

Fig.5 Multi-layer continuous sample model

多層拼接非連續(xù)樣件模型如圖6所示，如前所述，在建造大型磁屏蔽室時，由于各層屏蔽墻采用圖4所示的拼接結構，在屏蔽墻內除了存在層間氣隙還存在大量的層內氣隙造成漏磁，這勢必會降低屏蔽墻的整體磁導率。本文采用5層1 mm厚1J85材料制成的C型開口樣件(開口尺寸5 mm、8 mm兩種)用同樣的退火工藝處理后疊加而成，開口間距為180°，用于模擬在微弱磁場工作狀態(tài)下帶氣隙(層間、層內)的屏蔽墻，測試其磁導率，獲得拼接結構屏蔽墻的整體磁導率數(shù)值，用于評定微弱磁場和氣隙兩種因素的共同影響效果。

圖6 多層拼接非連續(xù)樣件模型

Fig.6 Multi-layer discontinuous sample model

3.2 測試方法及測試系統(tǒng)

現(xiàn)有的磁導率測試系統(tǒng)采用經典沖擊法的測量原理對樣件模型進行測試，采用間接測量的方法獲得勵磁電流、感應磁通，磁場強度和磁感應強度計算公式為

(5)

(6)

式中，H為磁場強度；B為磁感應強度；N1、N2為勵磁線圈、感應線圈匝數(shù)；I1為勵磁電流(測量量)；Φ2為感應磁通(測量值)；Le、Ae為模型有效磁路長度和有效截面積；(依照行業(yè)標準SJ/T10281計算)。

測試系統(tǒng)最小的輸出電流為0.01 mA，感應磁通測試靈敏度為0.05 μWb，通過式(5)～(6)獲得被測樣件模型的磁場強度H和磁感應強度B來獲得其磁導率特性。

實際測試中在適當選取樣件模型幾何參數(shù)的情況下，可以適當減小N1匝數(shù)獲得較小的磁場強度H和適當增加N2匝數(shù)獲得較弱的磁感應強度B。為了消除地球磁場環(huán)境及周圍雜散磁場對測試系統(tǒng)的影響，在測試系統(tǒng)引入磁屏蔽桶，把樣件模型放入其內測試。磁屏蔽桶的屏蔽因數(shù)可以達到1 000，其內磁場約為50 nT。測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 磁導率測試系統(tǒng)

Fig.7 Permeability testing system

3.3 多層拼接連續(xù)樣件模型整體磁導率測試及分析

樣件模型幾何參數(shù)為外徑41 mm，內徑31 mm，疊加厚5 mm，勵磁線圈、感應線圈匝數(shù)分別為3匝和36匝，有效磁路長度和有效截面積依照行業(yè)標準SJ/T10281計算得到。對樣件模型進行了兩次測試，所得到該模型整體磁導率和B-H磁化曲線對比于相應參數(shù)的實心樣件測試曲線如圖8所示。

圖8 多層拼接連續(xù)樣件模型B-H測試曲線

Fig.8B-Hcurve of multi-layer continuous sample model

由測試曲線可知：在對應外磁場下多層連續(xù)樣件磁導率數(shù)值由于層間氣隙的影響比實心樣件磁導率數(shù)值下降約5%～10%；兩種模型在微弱磁場(H<0.08 A/m)下整體磁導率數(shù)值繼續(xù)下降，例如多層連續(xù)模型在磁場強度為0.008 A/m時的相對磁導率數(shù)值為20 000，而在磁場強度為0.08 A/m時的相對磁導率為42 000，數(shù)值下降約為52%；但是兩者在小于0.08 A/m微弱磁場下B-H曲線的梯度相對0.08 A/m以上磁場時變小，即磁導率在外界磁場小于0.08 A/m時下降較緩慢。

數(shù)據(jù)表明：層間氣隙對磁導率影響較小，但在計算屏蔽系數(shù)時不能忽略實際工作點對屏蔽墻整體磁導率的影響，在計算磁屏蔽室屏蔽系數(shù)時各層屏蔽墻磁導率的取值應為其相應工作磁場下的磁導率，缺失部分應該采用相應樣件模型測試其數(shù)據(jù)，否則屏蔽墻磁導率至少比實際偏高1倍以上。

3.4 多層拼接不連續(xù)樣件模型整體磁導率測試及分析

多層拼接非連續(xù)樣件模型和連續(xù)模型的區(qū)別在于引入了層內氣隙，其更接近磁屏蔽室屏蔽墻的真實結構。模型B-H測試曲線如圖9所示，由測試曲線可知：增加層內氣隙影響因素對模型整體磁導率的影響巨大，在整個磁化曲線上模型的最大磁導率衰減最為嚴重約為正常值的1/5；在H<0.08 A/m的微弱磁場內，模型磁導率也有1/3～1/2的衰減，且層內氣隙開口越大，模型磁導率衰減越大，例如模型無氣隙時μ0.008≈20 000，而帶5 mm氣隙時μ0.008≈9 500，約下降53%；帶8 mm氣隙時μ0.008≈8 900，約下降55%。

由此可見，若設計中不考慮層內氣隙對屏蔽墻磁導率的影響，則會引起屏蔽系數(shù)更大的計算偏差，若不考慮以上兩種因素的影響，計算所用磁導率數(shù)值至少比實際偏高4倍以上，這正是屏蔽系數(shù)計算不準確的主要原因。

綜上所述，屏蔽系數(shù)計算時磁導率參數(shù)數(shù)值應該根據(jù)屏蔽墻實際結構綜合考慮兩種主要影響因素設計特定的樣件模型模擬屏蔽墻，測試其整體磁導率，采用屏蔽墻整體磁導率來對大型nT級磁屏蔽室屏蔽系數(shù)進行計算更符合實際情況，計算結果也更為準確。

圖9 多層拼接非連續(xù)樣件模型B-H測試曲線

Fig.9B-Hcurve of multi-layer discontinuous sample model

4 結論

通過對大型nT級磁屏蔽室屏蔽系數(shù)計算不確定性的理論分析得出其根本原因是計算采用的磁導率參數(shù)不準確引起的，而導致磁導率降低的兩個主要的因素是內層屏蔽墻微弱磁場的工作環(huán)境和拼接非連續(xù)性而引入的氣隙漏磁。針對大型磁屏蔽室多層嵌套、屏蔽墻拼接的工程結構從單一因素、兩因素綜合考慮出發(fā)，分別建立相應樣件模型來模擬磁屏蔽墻，通過測試得到連續(xù)和非連續(xù)模型在微弱磁場(H<0.08 A/m)下的磁導率數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)表明：由于屏蔽材料磁導率的非線性特性，當單一考慮微弱磁場工作環(huán)境影響時，其引起0.008 A/m時磁導率數(shù)值至少比0.08 A/m磁場時下降1/2以上；當考慮工作環(huán)境和氣隙共同作用時，在0.008 A/m的磁場下屏蔽墻整體磁導率數(shù)值比0.08 A/m磁場時下降3/4以上。因此，在工程中采用相應磁場下屏蔽墻整體磁導率數(shù)據(jù)比采用理想建造材料的磁導率數(shù)據(jù)進行屏蔽系數(shù)計算更為符合實際和更加準確。