磁場屏蔽及納米微晶帶屏蔽筒設計

董春龍

摘 要：傳統(tǒng)屏蔽材料一般都是高導磁的軟磁金屬材料，因此常見的屏蔽裝置都有著龐大的體積和沉重的重量，在實際中很難搬動和轉移，這給許多需求移動的環(huán)境應用帶來不便。文章主要以納米微晶作為研究對象，設計相關屏蔽筒，研究屏蔽效果和分析可能影響磁場屏蔽效能的因素。實驗表明，納米微晶材料作為一種新型屏蔽材料，有著重量輕、穩(wěn)定、高磁導率等優(yōu)點。其對磁場的屏蔽效果雖不如坡莫合金，但在一些需要移動的場合，采用納米微晶屏蔽筒不失為一種可行的方法。結果表明，增加非晶帶層數可以有效地提高屏蔽效能，屏蔽裝置的形體構造和擺放位置也對屏蔽效能有影響。

關鍵詞：磁場屏蔽；屏蔽效能；納米微晶

1 概述

近幾十年來，現代工業(yè)技術快速發(fā)展，各式各樣的電子產品應運而生，數字化及高頻電子設備在工作時也會向空間輻射大量不同波長的電磁波，電磁輻射污染已成為高精度弱磁場測量的主要障礙。傳統(tǒng)磁屏蔽材料一般都是采用坡莫合金等高導磁金屬材料，常見的屏蔽裝置都有著龐大的體積和沉重的重量，難于移動和安置，這給許多航空航天等移動環(huán)境下的應用帶來不便。文章主要以納米微晶作為研究對象，設計納米微晶屏蔽筒，研究它的屏蔽效果，分析可能影響磁場屏蔽效能的因素。

2 磁場屏蔽原理

屏蔽是指限制內部源的電磁能量泄露出該區(qū)域，或是阻止外來的輻射干擾進入內部區(qū)域[1]。一般，用磁場屏蔽系數SF和磁場屏蔽效能SE來描述磁場的屏蔽效果，二者定義如下[1-4]：

式中，屏蔽效能的單位為分貝（dB），H0、H分別指屏蔽前、屏蔽后的磁場大小。SF、SE越大，屏蔽效果越好。

磁場是由恒定電流產生，也可以由磁鐵產生。磁場是有旋度無散度的矢量，磁力線的這一性質使得在磁場屏蔽過程中，不能通過切斷磁力線的方法來實現，只能通過對其疏導，或補償的方法改變其原來的方向[5]。簡單來說，磁場屏蔽就是將磁力線分流。

通過使用磁導率高的屏蔽材料，為磁場提供一條磁阻很低的旁路，可以稱為“通量分流”。在磁場由一種介質（如空氣）向另一種介質（如軟磁材料）進入時，方向就會發(fā)生突然偏移。在空氣和軟磁材料的分界面上，軟磁材料的磁導率相對空氣大于幾千甚至幾萬倍時，靠近空氣介質一端的磁場被軟磁類材料吸引而改變方向，幾乎與表面垂直；同時，在靠近軟磁類材料介質一端的磁場被引向與分界面正切的方向。軟磁類材料制成的屏蔽體造成的結果就是磁感應線被轉移到屏蔽體內，進而在屏蔽體內與屏蔽表面幾乎平行的方向被分流，達到一定的屏蔽效果。如圖1所示。

3 納米微晶帶屏蔽筒

地球表面磁感應強度約為4～5×10-5T，屬于弱磁場的研究范疇。地球可視為一個磁偶極子，其中一級位于地理北極附近，另一極位于地理南極附近，通過這兩個磁極的假想線構成了磁通回路。由于地磁場相對較小，因此用于屏蔽地磁場的裝置要盡量遠離一些強磁場源和大型電子設備等。

這次設計的目的主要是屏蔽地磁場以及分析影響納米微晶帶筒屏蔽效果的多種因素。

3.1 磁場屏蔽筒設計

屏蔽設計的主要目的是要盡可能提高屏蔽效能，首先是如何正確選取屏蔽材料和構造屏蔽體結構：屏蔽材料的磁性能對屏蔽效果的影響比較簡單，即磁導率越高，屏蔽效果愈好；屏蔽結構的影響比較復雜。相同厚度、相近尺寸條件下，球殼形狀的屏蔽性能最優(yōu)，圓柱與橢球殼性能相近且次之，方殼體的性能最差。其次，屏蔽筒的位置，從理論上講要盡量遠離干擾源，但在實際中往往會受到條件制約。因此在設計時，要綜合考慮這些影響。

屏蔽材料分為傳統(tǒng)屏蔽材料和非晶合金材料兩大類。傳統(tǒng)屏蔽材料大多是金屬材料，從19世紀初的研究發(fā)展到目前已趨于成熟，一直以來是磁場屏蔽的首選材料，這是因為它具有優(yōu)良的導電性和軟磁性，如電磁純鐵、硅鋼、坡莫合金均獲得了滿意的屏蔽效能[10-14]。非晶合金材料有別于金屬合金，它是一種完全各向同性的新型屏蔽材料，具有良好的力學性能和更高的耐腐蝕性。同時，非晶態(tài)合金結構的無序性決定了它高磁導率、低矯頑力以及更好的軟磁性等優(yōu)勢。由于具有許多物理及化學性能的優(yōu)勢，所以它作為高性能的新型材料逐漸成為材料科學中熱點的研究領域[15-18]。

根據以上屏蔽設計的要求，我們設計了由圓柱形基底和多層納米微晶材料構成的屏蔽筒簡易裝置，如圖2所示。由于圓柱形殼體制造工藝較簡單，但屏蔽效果不差，所以選取圓柱筒形作為屏蔽體構造的基底。聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）極具穩(wěn)定性和易于成型，尤其較金屬材料重量輕很多，作為基底材料十分合適。通過將納米微晶帶纏繞在有機玻璃圓柱筒上，沿圓周形成密閉結構。通過纏繞多層結構去除微晶帶接縫處的漏磁，且增加導磁層的厚度。兩個端面用平板有機玻璃制成封蓋，上面用前述方法粘有微晶帶屏蔽材料，在其中一端面上開有一定尺寸的圓孔，用于往屏蔽筒內放置樣品及測量探頭。通過以上方法制作多個不同直徑的圓柱形屏蔽筒，最后將它們共軸嵌套在一起，之間用聚氯乙烯層隔離，構成一個多層嵌套的屏蔽筒（圖2-a，圖2-b）。這樣外界磁場在一次一次通過由納米晶帶屏蔽層時都會衰減，經過多次這樣的”分流“過程，在最內層屏蔽筒的中心可獲得更低的弱磁環(huán)境。

本實驗納米微晶材料是1K107B帶材，由鐵、硅、硼、鈮、銅等元素組成，晶粒尺寸僅有10-20nm，起始磁導率為80000，對屏蔽磁場有很大的優(yōu)勢，其外觀見圖2-c。

3.2 結果討論

如圖3所示，分別是兩種微晶帶不同纏繞方式對屏蔽效能的影響。在高度為50cm，直徑為15cm的有機玻璃筒上使用兩種纏繞方式以進行比較。測量點位于屏蔽筒軸線上，坐標原點位于筒有孔一端的端蓋處。磁場數據通過CH-1500B型三維磁通門磁強計測量得到。該磁強計測試范圍廣，為±3μT，分辨率1nT。圖中，A線是將兩層微晶帶直接纏繞在有機玻璃筒的外圍測得的數據，而B線通過將兩層微晶帶十字交叉編織成草席狀，再將筒覆蓋時的數據。在相同的磁場中，可以看到編織筒的衰減度要大于直接纏繞方式，并且屏蔽后的磁場更為穩(wěn)定，沒有較大波動。

圖4是15cm和20cm直徑屏蔽筒的磁場衰減圖，其中黑線和紅線分別為15和20cm筒單獨測量時的測量結果。由圖可見，15cm屏蔽筒的屏蔽效果要優(yōu)于 20cm的，說明筒直徑是影響屏蔽效能的因素之一，而且不是直徑越大屏蔽效果越好，要根據外界磁場大小和應用場合適當的選定。圖中位于最下方的藍線是兩個屏蔽筒嵌套后的結果，發(fā)現屏蔽后的磁場要比前兩個筒單獨使用時更低，可以預見多層結構可以提高屏蔽效能，下邊詳細介紹。

圖5為纏繞7層微晶編織帶屏蔽筒的磁場衰減圖。可以看到，隨層數增大屏蔽效果也越來越好。之前圖4中，我們也看到嵌套雙筒的屏蔽效果更好。在圖中，當筒纏繞2～3層微晶帶后磁場的衰減很明顯，到后來5～7層時，衰減趨勢逐漸平緩并接近。所以，增加微晶帶的復數層的確加強了屏蔽效果，但是受到材料本身性能的限制，分流磁場并不會一直持續(xù)增多，所以屏蔽筒屏蔽效果也會到達極值。本實驗中微晶帶筒最后的屏蔽磁場都維持在300nT左右。

我們的實驗是在普通實驗室中進行的，可以認為環(huán)境磁場近似為地磁場，而地磁場的磁場線是平行于地表平面的。在圖6中，分別是15、20、25cm直徑屏蔽筒垂直放置時測試的結果，圖中的三條線分別是屏蔽后剩余磁場的三方向分量。其中，x分量沿屏蔽筒軸線，y方向沿與軸線垂直的水平方向，z分量沿豎直方向。從中發(fā)現，x分量的磁感應強度明顯大于其他兩個分量的。這是因為磁場通過屏蔽筒的時候，垂直于微晶帶的磁場分量被分流的少，而平行磁場分量分流要多一些。

X軸沿屏蔽筒軸線，y軸沿與軸線垂直的水平方向，z軸沿豎直方向。

4 結束語

采用納米微晶帶纏繞在骨架圓筒上制作磁屏蔽筒的方法，可以使屏蔽筒的重量大大減輕。屏蔽體構造和屏蔽材料的選擇是設計屏蔽裝置要考慮的重要因素。實驗表明，將微晶帶編成席狀比直接纏繞屏蔽效果更好，實驗中通過增加單筒上微晶帶纏繞層數能有效地提高屏蔽筒的屏蔽效能，但當達到一定層數后，屏蔽效果達到飽和，不再繼續(xù)增加。在我們的實驗中，該層數為7層。對筒的內徑和多個圓筒同軸嵌套后的屏蔽效果進行了測量，采用雙層圓筒后，可將地磁場屏蔽到200-300nT。盡管遠低于采用高導磁金屬材料制成的屏蔽筒，但其重量大大減輕，這使得它在航空航天等對重量有特殊要求的移動式磁屏蔽場合可得到應用。不失為一種在這些場合磁屏蔽的可行方案。

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