新型高性能磁屏蔽系統在被動型氫原子鐘上的應用

潘志兵，謝勇輝，帥濤，陳鵬飛，裴雨賢，潘曉燕，趙陽，徐昊天，林傳富

新型高性能磁屏蔽系統在被動型氫原子鐘上的應用

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1，徐昊天1，林傳富1

（1. 中國科學院 上海天文臺，上海 200030；2. 中國科學院大學，北京 100049）

磁屏蔽系統有效地屏蔽了地球磁場和空間雜散磁場對氫原子躍遷信號的干擾，在被動型氫原子鐘中發揮著重要作用。一種高性能磁屏蔽材料構建的新型磁屏蔽系統在被動型氫原子鐘投入使用，磁屏蔽系數、磁滯回線、抗磁化能力以及磁敏感度等各項指標測試都優于傳統磁屏蔽系統。新型磁屏蔽系統的重量僅為傳統磁屏蔽系統的80%，從而減輕了整機的重量。新型磁屏蔽系統的應用，為被動型氫原子鐘實現高質量高信噪比的氫原子躍遷信號，以及保持其高準確度高穩定度的時頻信號打下了堅實的基礎。

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

0 引言

被動型氫原子鐘使用基態氫原子自（= 1，F= 0）態至（= 0，F= 0）態的超精細能級躍遷譜線對壓控晶振進行鑒頻鎖定，從而實現高準確度、高穩定度和低漂移率的時頻信號輸出，并用于高精度計時。目前其長期頻率穩定度可達3×10-15/d，頻率漂移率小于5×10-15/d，已在衛星導航定位系統如北斗系統和伽利略系統中得到了廣泛應用[1-2]。

被動型氫原子鐘的工作磁場一般約為100 nT（1 mGauss），遠小于地球磁場和周圍空間雜散磁場，同時被動型氫原子鐘一般會使用鈦泵維持其高真空度，而后者帶有較大磁場強度的磁鐵，因此好的磁屏蔽系統是非常必要的。為了屏蔽地球磁場和其他空間雜散磁場對原子躍遷的干擾，被動型氫原子鐘一般采用高磁導率并經過細致熱處理和大電流退磁后的坡莫合金（permalloy）同軸圓柱筒構建磁屏蔽系統，以達到較好的屏蔽效果[3]。

被動型氫原子鐘物理部分結構圖如圖1所示。由圖中可知，內層磁屏蔽、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，微波諧振腔位于內層磁屏蔽內部，原子運動區域原子儲存泡位于微波諧振腔內部。內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個磁屏蔽筒同軸線等間距放置。

圖1 被動型氫原子鐘物理部分結構圖

磁屏蔽材料本身的剩余磁場要盡可能地小。磁屏蔽系統的性能決定了其抵抗外部磁干擾的能力，進而影響氫原子鐘原子躍遷信號幅度及其信噪比，磁屏蔽系統的質量與被動型氫原子鐘的性能指標息息相關。

1 磁屏蔽系統的分析和設計

被動型氫原子鐘的躍遷譜線頻率可用式（1）表示：

對式（1）求偏導，可得到式（2）[4]:

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

式（3）中，和分別是屏蔽外和屏蔽內的磁場強度，,,分別是自內向外三層磁屏蔽筒材料的磁導率，其余符號的意義如圖2所示。屏蔽因子隨等參數的大小不同而不同。

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

本單位被動型氫原子鐘使用的新型磁屏蔽系統和傳統磁屏蔽系統結構上基本一致，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，其重量僅為傳統磁屏蔽系統的80%，且磁屏蔽系數更高，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，為在微波腔內實現高質量高信噪比的氫原子躍遷信號創造了良好的條件。

2 磁屏蔽系統的性能測試

2.1 磁屏蔽系數

為了測試磁屏蔽系統的屏蔽系數，首先將三層圓柱形的磁屏蔽筒呈軸對稱狀態組裝固定[9]，并保持各個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，并改善磁場均勻度[10]。

在測量磁屏蔽系數的過程中，磁屏蔽系統空間內部各點的磁屏蔽系數是不一樣的，某個具體位置的磁屏蔽系數無法充分代表整個磁屏蔽系統的指標。被動型氫原子鐘諧振腔部分只占磁屏蔽系統內部的一部分，原子的運動區域原子儲存泡又只占諧振腔內部的一部分，因此總體來說原子儲存泡所在位置的磁屏蔽系數較為均勻一致。同時，原子的運動區域原子儲存泡的長度約為10 cm，而高精度磁強計的探頭長度約為5 cm，探頭長度較長，所以選擇將磁強計探頭放置在原子儲存泡的正中央處，以此處測量得到的磁屏蔽系數作為較為均衡的磁屏蔽系數指標。

表1 傳統磁屏蔽筒磁屏蔽系數測量數據

表2 新型磁屏蔽筒磁屏蔽系數測量數據

由此可知，采用新型材料的新型磁屏蔽筒磁屏蔽系數得到了極大提高，可對被動型氫原子鐘復雜的周圍雜散磁場提供更優秀的磁屏蔽效果。

2.2 磁滯回線

圖3 傳統和新型磁屏蔽筒磁滯回線測量數據

從圖3的數據可知，新型磁屏蔽筒的磁滯回線更“窄”更“瘦”，在同樣的外界磁場干擾下，能更大程度保持被動型氫原子鐘微波腔的磁環境。

2.3 抗磁化能力測試

2.3.1 外部抗磁化能力測試

被動型氫原子鐘在長期工作過程中會不斷受到外界干擾磁場的影響，可能會導致磁屏蔽系統被重新磁化[17]。因此，有必要檢驗磁屏蔽系統在外界干擾磁場作用下的磁性能保持情況。

測量中采用亥姆霍茲線圈模擬外部磁場干擾。模擬實驗步驟如下：

① 從恒流電源輸入到亥姆霍茲線圈的電流從0 A開始，每1 s遞增0.01 A，一直增加到3 A，對應最大外加磁場為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 在較長時間內重復步驟①，即可完成正方向磁場的循環掃描。

③ 此后更換恒流電流的輸入方向，此時最大外加磁場為-240 μT，在較長時間內重復步驟①和步驟②，即可完成反方向磁場的循環掃描。

④ 在較長時間內反復進行步驟①~③，即可完成外部磁場干擾的模擬測試。

圖4 模擬外部干擾磁場測試的傳統磁屏蔽筒中心處磁場數據

圖5 模擬外部干擾磁場測試的新型磁屏蔽筒中心處磁場數據

2.3.2 內部抗磁化能力測試

被動型氫原子鐘磁屏蔽系統內部設置有場線圈，在特定測試場景下會產生數百倍于基態氫原子躍遷所需磁場（約100 nT）的強磁場，易導致磁屏蔽系統被磁化。因此磁屏蔽系統的內部抗磁化能力也是一項重要的性能指標。

為了測試磁屏蔽系統的內部抗磁化能力，將在場線圈上依次施加不同方向不同大小的電壓，從而產生強度較高的內部干擾磁場。測試前標定內部剩余磁場，測試后再次標定內部剩余磁場，從而判斷磁屏蔽系統的內部抗磁化能力。在測試過程中，將分別進行循環掃描測試和定值壓力測試兩項測試。

表3和表4分別展示了這兩種磁屏蔽筒內部抗磁化能力的循環掃描測試數據。在循環掃描測試過程中，場電壓從0~2 V變化，每次變化0.01 V，每次變化維持1 s，循環維持長達一個小時的測試時間，施加過程中最大磁場約為120 000 nT，并測定正向和反向兩個方向的數據。

對于傳統磁屏蔽筒，其內部抗磁化能力的循環掃描測試數據如表3所示。在正向循環掃描過程中，傳統磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為-14.4 nT和+1.3 nT，其磁場變化量為+15.7 nT。在反向循環掃描過程中，傳統磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為+1.3 nT和-7.9 nT，其磁場變化量為-9.2 nT。

表3 傳統磁屏蔽筒內部抗磁化能力循環掃描測試

對于新型磁屏蔽筒，其內部抗磁化能力的循環掃描測試數據如表4所示。在正向循環掃描過程中，新型磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為-26.9 nT和-25.8 nT，其磁場變化量為+1.1 nT。在反向循環掃描過程中，新型磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為-25.8 nT和-26.6 nT，其磁場變化量為-0.8 nT。

表4 新型磁屏蔽筒內部抗磁化能力循環掃描測試

由表3和表4的測試數據可知，新型磁屏蔽筒在循環掃描測試過程中其內部抗磁化能力遠優于傳統磁屏蔽筒。

表5和表6分別展示了這兩種磁屏蔽筒內部抗磁化能力的定值壓力測試數據。在定值壓力測試過程中，場線圈上施加了較高的2 V定值電壓，產生約為120 000 nT的磁場，保持長達30 min的施加時間，并測定正向和反向兩個方向的數據，以判斷強磁場對磁屏蔽系統的影響。

對于傳統磁屏蔽筒，其內部抗磁化能力的定值壓力測試數據如表5所示。在正向定值壓力測試過程中，傳統磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為+3.6 nT和-3.6 nT，其磁場變化量為-7.2 nT。在反向定值壓力測試過程中，傳統磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為-3.6 nT和+3.3 nT，其磁場變化量為+6.9 nT。

表5 傳統磁屏蔽筒內部抗磁化能力定值壓力測試

對于新型磁屏蔽筒，其內部抗磁化能力的定值壓力測試數據如表6所示。在正向定值壓力測試過程中，新型磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為-27.6 nT和-24.3 nT，其磁場變化量為+3.3 nT。在反向定值壓力測試過程中，新型磁屏蔽筒測試前后的內部剩余磁場分別為-24.3 nT和-26.9 nT，其磁場變化量為-2.6 nT。

表6 新型磁屏蔽筒內部抗磁化能力定值壓力測試

由表5和表6的數據可知，新型磁屏蔽筒在定值壓力測試過程中其內部抗磁化能力也優于傳統磁屏蔽筒。

3 磁屏蔽系統在氫鐘的應用

完成傳統和新型磁屏蔽筒的磁屏蔽系數，磁滯回線以及抗磁化能力測試后，將其依次安裝在同一臺被動型氫原子鐘上，并將其作為唯一可變量。被動型氫原子鐘整機放置在亥姆霍茲線圈的中心區域，其鎖定后，輸出的10 MHz信號與參考源信號進行比對，即可進行整機輸出頻率磁敏感度指標的測試，測試框圖如圖6所示。

圖6 被動型氫原子鐘磁敏感度測試框圖

在測試過程中，通過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，按照“外界磁場為0→外界磁場為+200 μT→外界磁場為0→外界磁場為-200 μT→外界磁場為0”進行測試。測試其輸出頻率的變化，即可計算得出整機的磁敏感度指標。

裝備傳統磁屏蔽系統的整機磁敏感度，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的整機磁敏感度測量數據。從圖8數據可知，新型磁屏蔽筒的磁敏感度為5.78×10-10/T（5.78×10-14/Gauss），優于傳統磁屏蔽系統的數據。

圖7 新型磁屏蔽筒磁敏感度測量數據（0 T）

圖8 新型磁屏蔽筒磁敏感度測量數據（左：+200 μT，右：-200 μT）

4 結語

被動型氫原子鐘的發展方向是在進一步提高其性能指標的同時實現其更小體積和更輕重量。以新型磁屏蔽材料為核心構建的新型高性能磁屏蔽系統使用了三層磁屏蔽筒設計，其體積和傳統磁屏蔽筒相當，但其重量大大減輕，僅為傳統磁屏蔽筒的80%，其磁屏蔽系數可達70 000以上，磁滯回線更優，抗磁化能力更強，整機磁場敏感度優于1×10-9/T（1×10-13/Gauss），為實現高質量、高信噪比的原子躍遷信號和高準確度、高穩定度的被動型氫原子鐘時頻信號提供了堅實保障。

[1] 謝軍, 王金剛. 北斗-3衛星的創新和技術特點[J]. 國際太空, 2017(11): 6-9.

[2] 欽偉瑾, 葛玉龍, 楊旭海. 伽利略星載被動型氫原子鐘性能評估[J]. 儀器儀表學報, 2018(10): 93-99.

[3] 張為群, 何克亮. 主動型氫脈澤物理系統的小型化[J]. 計量學報, 2015, 36(6): 638-641.

[4] 張為群. 氫脈澤磁屏蔽的改進與性能測定[J]. 中國科學院上海天文臺年刊, 1997: 209-213.

[5] 王義遒. 量子頻標原理[M]. 北京: 科學出版社, 1986: 7.

[6] 冷如冰, 王瑞, 戴家瑜. 基于計算機仿真的被動型氫鐘磁屏蔽系統磁場分析[J]. 中國科學院上海天文臺年刊, 2016: 49-58.

[7] VANIER J, AUDOIN C. The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards[M]. Bristol and Philadelphia: Adam Hilger, 1989. 937-940.

[8] 王文明, 代克, 張燕軍, 等. 新型氫脈澤磁屏蔽的設計[J]. 時間頻率學報, 2010, 33(1): 54-61.

[9] 裴雨賢, 林傳富. 用磁場線圈產生磁屏蔽效果在氫鐘上運用的可行性分析[J]. 中國科學院上海天文臺年刊, 2011: 114-120.

[10] 冷如冰, 王瑞, 劉鐵新, 等. 被動型氫原子鐘退磁裝置設計[J]. 電子測量技術, 2018(4): 76-80.

[11] 葉邦角. 電磁學[M]. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2014.

[12] 高靜, 孫鑫, 劉俊偉. 亥姆霍茲線圈磁場空間分布的研究[J]. 科技通報, 2018, 34(7): 34-37.

[13] 宋新昌. 亥姆霍茲線圈及麥克斯韋線圈磁場分布及均勻性比較[J]. 磁性材料及器件, 2016, 47(5): 16-18.

[14] 王建國, 邵雪輝. 磁滯回線的物理機理[J]. 河北建筑工程學院學報, 2001(3): 90-92.

[15] 馮本珍. 鐵磁材料磁滯回線的研究[J]. 中國科技信息, 2006(22): 307-308+311.

[16] 常清英, 李春燕, 金仲輝. 從磁滯回線了解鐵磁性材料的性能[J]. 物理通報, 2011(6): 72-73.

[17] 彭向凱. 空間冷原子鐘關鍵技術研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2019.

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在被動型氫原子鐘上的應用[J]. 時間頻率學報, 2021, 44(1): 45-54.

2020-04-28；

2020-06-19

中國科學院重點部署資助項目（Y883051）