高精度矢量磁力儀地面測試定標(biāo)系統(tǒng)大型磁屏蔽室仿真分析*

李志宏 王勁東 呂 尚 萬任新

1(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

磁場是宇宙中極其重要和普遍的一種場[1]，而空間磁場探測是諸多國內(nèi)外空間探測任務(wù)的重要內(nèi)容之一，其探測器上所搭載的磁場探測載荷需要同時滿足高分辨率、高精度的空間磁場探測需求。中國目前也有多款高精度磁場探測載荷（例如張衡一號高精度磁強計，風(fēng)云三號和風(fēng)云四號衛(wèi)星磁強計等）搭載于航天探測器上，對空間磁場開展高分辨率、高精度的測量。為滿足高精度空間磁場探測需求，在探測器發(fā)射前需開展一系列的磁探測載荷地面磁場定標(biāo)試驗，例如磁場傳感器的零偏、溫度校正和正交性等參數(shù)確認，而這些定標(biāo)試驗通常需要利用實驗室中多層磁屏蔽裝置和校準(zhǔn)線圈等中大型裝置設(shè)施[2]，將試驗環(huán)境中的環(huán)境磁場降低到一個非常微弱的程度，以避免環(huán)境磁場干擾。隨著工業(yè)化進程的加快和生活圈的不斷擴大，自然環(huán)境中的磁場干擾越來越強，背景磁場擾動以及外部磁場強度的不均勻性（磁場梯度變化）都會嚴(yán)重影響線圈內(nèi)部區(qū)域磁場的均勻性[3]，從而嚴(yán)重影響磁場定標(biāo)試驗的準(zhǔn)確性。通過人工磁屏蔽可較好地解決此類問題，例如德國PTB七層結(jié)構(gòu)的BMSR-2方形磁屏蔽室，日本四層結(jié)構(gòu)形如足球的COSMOS異型磁屏蔽室，以及中國國家地震局與鋼鐵研究總院聯(lián)合研制的6 T磁屏蔽室等[4]，均采用了磁屏蔽筒或磁屏蔽室來隔離外界磁場，以獲取穩(wěn)定的微弱磁場條件[5]。但是在以往營造磁屏蔽空間設(shè)施中，通常依賴以往的工程經(jīng)驗來開展屏蔽室的設(shè)計，缺乏開展定量化分析的手段。

本文利用有限元分析軟件對磁屏蔽裝置的性能進行了仿真計算，開展了大型磁屏蔽室的建模和仿真分析工作，并對比分析了仿真結(jié)果和磁屏蔽室的實測剩磁分布情況與趨勢，為磁屏蔽室的設(shè)計和分析提供了技術(shù)支撐。

1 磁屏蔽原理與裝置

1.1 原理

為抵消靜磁場對既定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)磁屏蔽，通常采用高磁導(dǎo)率材料包圍該區(qū)域，所用材料會形成低磁阻通路使外部磁場優(yōu)先通過[6]。磁屏蔽效率取決于多種因素，其中最重要的是磁屏蔽層材料的磁導(dǎo)率及其隨著流過的磁通量密度的變化、屏蔽材料的層數(shù)及每層厚度、屏蔽材料的剩磁和屏蔽材料包圍該區(qū)域的嚴(yán)密程度。磁屏蔽基本原理如圖1所示，高磁導(dǎo)率的材料制成的磁屏蔽結(jié)構(gòu)與磁屏蔽層內(nèi)部所包圍的空氣可以看成是并聯(lián)磁路或磁旁路，由于磁屏蔽層材料的磁導(dǎo)率比空氣磁導(dǎo)率大數(shù)千倍，因此磁屏蔽空間內(nèi)部的磁阻遠大于屏蔽層本身，外部磁場的感應(yīng)磁通量總體上沿高導(dǎo)磁材料形成的磁屏結(jié)構(gòu)通過，極大地降低了進入磁屏蔽空間內(nèi)部的磁通量，由此被高導(dǎo)磁材料屏蔽的內(nèi)腔基本無外磁場進入，從而達到磁屏蔽目的[7]。

圖1 磁屏蔽條件下的磁旁路Fig.1 Magnetic bypass on the condition of magnetic shielding

通過部分簡化假設(shè)，并結(jié)合磁屏蔽層材料的磁導(dǎo)率、幾何常數(shù)和剩磁等參數(shù)，可得到部分簡單（球形和圓筒形）磁屏蔽裝置的屏蔽系數(shù)[5]。通常一個單層球形殼假設(shè)半徑為r，屏蔽殼材料厚度為t，球形殼t?r，如果μrt?1，其單層磁屏蔽系數(shù)為

其中，μr為材料的相對磁導(dǎo)率，一般取值為104～106。

多層屏蔽系數(shù)的普適表達式如下：

其中，Sm為多層磁屏蔽系數(shù)，Sn為第n層的磁屏蔽系數(shù)，ln為第n屏蔽層的半徑。

由于在工程實現(xiàn)方面立方形屏蔽更容易實現(xiàn)，因此確定立方形磁屏蔽系數(shù)尤為重要，立方形磁屏蔽空間與同尺寸球形磁屏蔽空間的磁屏蔽系數(shù)接近。設(shè)2l為立方體邊長，較合理的是替代某個r值使這一立方體和球體具有相同的體積，即8l3=4πr3/3或r=1.24l。因此由式（1），一個邊長為2l的單層立方體，如果μrt?1，其屏蔽系數(shù)為

由于式（3）中僅含有相除的項，球形磁屏蔽的多層表達式（2）也可用于立方形磁屏蔽。由式（1）～（3）可知，磁屏蔽層越厚，磁屏蔽層數(shù)越多，相應(yīng)的磁屏蔽系數(shù)越高。綜合考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，大型磁屏蔽室通常采用多層磁屏蔽（每層的屏蔽層控制在一定厚度）結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)更好的磁屏蔽效果[8]。

1.2 裝置

近零磁場環(huán)境在許多前沿科學(xué)領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用[9]，尤其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(biāo)準(zhǔn)，保證空間磁探測受航天器自身磁性干擾較小，從而有效開展高精度空間磁場、動態(tài)等離子等的探測[10,11]。目前國內(nèi)外已針對各類應(yīng)用需求研制建造了高性能近零磁環(huán)境裝置[10,12,13]。本文較詳細地分析了此類裝置現(xiàn)狀（見表1）。

表1 主要大型磁屏蔽室情況對比Table 1 Comparison of major large space magnetic shielding rooms

2 建模與仿真

為滿足某航天型號任務(wù)需求而設(shè)計研制的大空間屏蔽室內(nèi)部有效空間尺寸約為14 m（長）×10 m（寬）×10 m（高），磁屏蔽材料選用高導(dǎo)磁率硅鋼片，外層40層，內(nèi)層30層。磁屏蔽門采用電磁屏蔽門，屏蔽室開口尺寸：1.8 m（寬）× 2.0 m（高），門下端距離磁屏蔽底部2.8 m，門開口朝向東。根據(jù)磁屏蔽原理并結(jié)合部分工程經(jīng)驗，對磁屏蔽室設(shè)計開展建模仿真能較好的降低工程實施風(fēng)險，本文使用ANSYS Maxwell軟件進行磁場有限元計算分析。

2.1 模型情況

根據(jù)設(shè)計輸入條件，并兼顧精度和合理性，仿真計算的求解器設(shè)置為靜磁場模式，邊界條件為默認邊界條件，即尼曼邊界條件，磁場方向與表面正切，無磁通穿過。

仿真計算中采用Inside Selection方法對求解域和激勵源進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，求解域網(wǎng)格長度為200000 mm，網(wǎng)格數(shù)量為82056個，激勵源網(wǎng)格長度為1500 mm，網(wǎng)格數(shù)量為3116個。

圖2 磁屏蔽室仿真網(wǎng)格設(shè)定Fig.2 Grid setting for magnetic shielding room

2.2 外界磁場及仿真要素等輸入條件

北京地區(qū)平靜期磁場水平強度Bh約為29620 nT，垂直強度Bv約為46180 nT，磁傾角為57°19′，地磁場水平分量方向與磁屏蔽室短邊平行，與屏蔽室長邊方向（東西向）垂直。其他仿真輸入條件如下。

（1）材料：硅鋼片。

（2）多層等效磁導(dǎo)率：4.4×104。

（3）內(nèi)屏蔽層厚度：9 mm（多層層疊）。

（4）外屏蔽層厚度：12 mm（多層層疊）。

3 仿真結(jié)果及與實測情況比較

3.1 仿真結(jié)果

利用仿真軟件計算磁屏蔽空間內(nèi)部尤其是中心區(qū)域?qū)τ谕獯艌龅钠帘嗡p效果，其剩磁各分量強度以及分布情況如圖3和圖4所示。由圖3（a）（b）可知，磁屏蔽室內(nèi)部中心區(qū)域的磁場強度衰減到約百納特量級，剩磁場方向在沿著地磁場的方向呈規(guī)律性變化，最終與地磁場方向一致，并沿中間剖面對稱，剩磁場的最小值位于磁屏蔽室體的中心區(qū)域。如圖3（c）（d）所示，磁屏蔽室剖面中心區(qū)域磁場經(jīng)屏蔽后，剩磁強度衰減至150 nT以下（仿真圖縱坐標(biāo)單位為μT），方向和地磁場方向保持一致，磁場梯度的對稱性和地磁場與屏蔽體結(jié)構(gòu)夾角有一定相關(guān)性，磁場的最小值位于磁屏蔽室體的中心區(qū)域，呈對稱分布排列。

圖3 磁屏蔽室磁場分布 (箭頭方向表示外部地磁場方向，顏色代表強度數(shù)值)。（a）磁屏蔽室外磁場分布，（b）屏蔽室內(nèi)部及外部磁場分布（屏蔽室隱藏顯示）,（c）屏蔽室垂直于z軸的平面磁場分布,（d）屏蔽室垂直于x軸的平面磁場分布Fig.3 Magnetic shielding room magnetic field distribution (The direction of the arrow indicates the direction of the external geomagnetic field, and the color represents the intensity value).(a) Distribution of external magnetic field of the magnetic shielding room.(b) Distribution of both external and internal magnetic field of the magnetic shielding room (shielding room hidden display).(c) Magnetic field distribution in the plane of the shielded room perpendicular to the z-axis.(d) Magnetic field distribution in the plane of the shielded room perpendicular to the x-axis

圖4 磁屏蔽室工作區(qū) (2 m×2 m×2 m) 剩余磁場測試點分布Fig.4 Distribution of test points from residual magnetic field in the working area (2 m×2 m×2 m) of the magnetic shielding room

基于數(shù)值仿真結(jié)果，重點開展了磁屏蔽室中心工作區(qū)（2 m×2 m×2 m）內(nèi)的剩磁強度及梯度分布分析。磁屏蔽室中心工作區(qū)域如圖4所示，為便于分析，在磁屏蔽室內(nèi)垂直于x軸（地理東西向）的中心平面上設(shè)定了九個剩磁取樣點（m1～m9），其中m5位于磁屏蔽室工作區(qū)中心點位置，其余8個點則在其周圍均勻分布，構(gòu)成一個邊長為2 m的正方形。在此中心平面 ±1 m高度的對應(yīng)位置處另外設(shè)置18個剩磁取樣點，用于評估剩磁的空間分布。

圖5為磁屏蔽室內(nèi)沿x軸向（東西向）分布的三個垂直截面內(nèi)的剩磁強度分布，表2～4給出了對應(yīng)圖5（a）（b）（c） 的剩磁強度仿真數(shù)值。從圖5和表2～4可以看出，屏蔽室工作區(qū)域內(nèi)磁場較為均勻，剩磁沿空間分布一致性好，剩磁最小的區(qū)域基本位于磁屏蔽室中心區(qū)域處，并呈現(xiàn)前后一致性分布。

表2 對應(yīng)圖5（a）剩磁強度仿真數(shù)值Table 2 Simulation value of residual magnetic field in Figure 5(a)

表3 對應(yīng)圖5（b）剩磁強度仿真數(shù)值Table 3 Simulation value of residual magnetic field in Figure 5(b)

表4 對應(yīng)圖5（c）剩磁強度仿真數(shù)值Table 4 Simulation value of residual magnetic field in Figure 5(c)

圖5 屏蔽室內(nèi)部x軸向三段截面剩余磁場仿真數(shù)值分布Fig.5 Simulation of the residual magnetic field distribution of the x axis three-section inside the shielding room

由于磁屏蔽室的開孔及接縫位置處的磁屏蔽材料不連續(xù)會對磁場屏蔽效能產(chǎn)生影響，使屏蔽效能低于理論計算值。為了確保建成后的磁屏蔽室各項指標(biāo)滿足使用要求，對磁屏蔽室的開口（尤其是大門處）進行了局部剩余磁場強度分析（見圖6）。

圖6 磁屏蔽室開口處剩余磁場強度分布Fig.6 Distribution of residual magnetic field intensity at the opening of the magnetic shielding room

磁屏蔽室大門開口尺寸約為2 m×2 m，為了降低開口的影響，采用了門廊式設(shè)計，通過一定長度的偏置門廊降低此開口處的漏磁影響。由圖6所示的仿真結(jié)果可以看出，在開口處存在較為明顯的漏磁情況，在開口附近依舊存在較強的磁場梯度，但是未對屏蔽室內(nèi)部中心區(qū)域產(chǎn)生明顯影響。門廊內(nèi)部的剩磁強度與屏蔽室內(nèi)部剩磁強度大小基本相同，證明通過門廊式設(shè)計，能夠有效降低進門處的漏磁影響。在磁屏蔽室工作區(qū)（2 m×2 m×2 m）內(nèi)，剩磁強度小于100 nT，選取的27個仿真點磁場強度在60～100 nT之間，剩余磁場方向與地磁場方向大致相同，但仍會受到磁屏蔽室結(jié)構(gòu)影響，使得部分剩余磁場趨向于磁屏蔽室結(jié)構(gòu)布局。工作區(qū)內(nèi)磁場總體均勻性較好，剩余磁場以結(jié)構(gòu)體中間剖面為對稱并沿地磁場方向有一定的磁場梯度，仿真結(jié)果和實際磁場分布趨勢基本吻合，基本符合以往較小磁屏蔽空間的實際情況。

3.2 實際測試結(jié)果與仿真情況比對

測試所用的大型磁屏蔽室建于中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心懷柔園區(qū)內(nèi)，磁屏蔽室建成后，在磁屏蔽室內(nèi)選取了數(shù)百個點進行剩磁測試，測試儀器設(shè)備主要包括磁通門磁傳感器Mag-03 MSL100、B&K動態(tài)信號分析儀、無磁測試支架、激光測距儀等。對應(yīng)仿真分析中屏蔽室中心工作區(qū)域的27個測試點，實測剩磁數(shù)據(jù)與仿真數(shù)值及對比結(jié)果列于表5。

表5 磁屏蔽室剩余磁場標(biāo)量強度仿真數(shù)值與實際測試數(shù)值情況及對比（單位nT）Table 5 Comparison of simulation and measured data of residual magnetic field scalar intensity in magnetic shielding room （Unit nT）

圖7為屏蔽室內(nèi)均勻區(qū)剩余磁場仿真數(shù)值分布，圖8為屏蔽室工作區(qū)域內(nèi)剩磁場強度實測數(shù)據(jù)分布，圖9為仿真分析結(jié)果與實測點磁場強度差異情況，圖10為大空間磁屏蔽室內(nèi)部實物。

圖7 磁屏蔽室剩余磁場標(biāo)量仿真數(shù)值分布Fig.7 Numerical distribution diagram of scalar simulation of residual magnetic field in magnetic shielding room

圖8 磁屏蔽室剩余磁場標(biāo)量實測數(shù)值分布Fig.8 Distribution of measured value of scalar residual magnetic field in magnetic shielding room

圖9 磁場強度總值對比Fig.9 Comparison of total magnetic field intensity

圖10 大空間磁屏蔽室內(nèi)部實物Fig.10 Internal physical picture of large space magnetic shielding room

圖9給出了仿真分析結(jié)果與實測磁場強度之間的差異。根據(jù)圖9，對比實測結(jié)果與仿真數(shù)值發(fā)現(xiàn)，屏蔽室工作區(qū)內(nèi)的剩磁分布相似，均存在一定的水平磁場梯度及垂直磁場梯度，在不同的測點位置上剩磁大小均在60～180 nT之間，剩磁實測結(jié)果略大于仿真分析結(jié)果，平均偏差約為64.08 nT，最大偏差為107.76 nT，兩者的差值從南到北，從下到上呈逐漸遞增趨勢，其中從南到北的偏差較大。

對磁屏蔽室剩磁實測結(jié)果和仿真數(shù)值之間的偏差進行了分析，產(chǎn)生偏差的主要因素如下。

（1）仿真輸入?yún)?shù)。仿真參數(shù)設(shè)置較為理想，例如邊界條件為默認邊界條件，默認磁場連續(xù)穿過表面，磁場方向與表面正切，無磁通穿過等，這與較為復(fù)雜的實際工程情況存在一定差異。仿真計算中屏蔽材料參數(shù)設(shè)定為各向同性的均勻材質(zhì)，而實際工程使用的屏蔽材料為多層薄板層疊壓接方式，材料規(guī)格、均勻性等方面與仿真計算狀態(tài)存在一定差異，造成退磁因子與仿真狀態(tài)有偏差，從而影響兩者結(jié)果的一致性。

（2）仿真模型結(jié)構(gòu)偏差。磁屏蔽室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括內(nèi)部屏蔽層、外部屏蔽層及中間層，實際工程施工時使用的屏蔽材料為片狀壓接方式。在仿真計算時采用了整體建模方式，未設(shè)置分層結(jié)構(gòu)，且模型網(wǎng)格劃分的數(shù)量及形狀、密度受計算能力限制，也會影響仿真結(jié)果，使實測數(shù)值與仿真數(shù)值出現(xiàn)一定差異。

（3）磁屏蔽材料特性差別。在仿真計算中，磁屏蔽材料的磁導(dǎo)率設(shè)置為硅鋼片材料的理想磁導(dǎo)率狀態(tài)。但實際上，磁屏蔽材料的取向受加工工藝等方面的影響，并非各向同性，而且磁屏蔽層采用了多片拼接方式，其真實磁導(dǎo)率與材料本身的磁導(dǎo)率存在一定差異，從而造成兩者結(jié)果有偏差。

（4）環(huán)境磁場差異。由于磁屏蔽室位于建筑物內(nèi)部，因此磁屏蔽室所處的磁場環(huán)境與仿真設(shè)置的無擾動地磁場存在較大的差異。在建筑內(nèi)部存在較大磁場梯度的情況下，必然會對屏蔽室內(nèi)部磁場的均勻性產(chǎn)生影響，這也是造成兩者結(jié)果存在偏差的重要因素。

4 結(jié)論

以往構(gòu)建大型磁屏蔽空間通常比較依靠工程經(jīng)驗，量化分析相對較少。針對此類問題，開展了大空間磁屏蔽室仿真分析計算，基于有限元分析的方法和ANSYS Maxwell 仿真軟件，完成了磁屏蔽室建模和系統(tǒng)仿真，并與實測結(jié)果進行了數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明，磁屏蔽空間內(nèi)部中心區(qū)域（邊長為2 m的立方體區(qū)域）的剩磁實測數(shù)值與仿真數(shù)值的量級和分布趨勢基本一致，實測剩磁值與仿真結(jié)果之間平均偏差約為64.08 nT，最大偏差為107.76 nT。測試結(jié)果證實了利用有限元分析方法開展磁屏蔽室屏蔽性能的定量研究方法具備可行性，能夠?qū)Υ牌帘问议_口剩磁影響進行定量化計算，為磁屏蔽室門、通風(fēng)孔設(shè)計提供了依據(jù)；仿真對內(nèi)部均勻區(qū)大小、形狀進行驗證，避免工程實施后發(fā)現(xiàn)均勻區(qū)不滿足要求的風(fēng)險。針對大空間磁屏蔽室的設(shè)計和研究，本文提出的這種基于有限元和ANSYS Maxwell 軟件仿真的方式，有利于提高大空間磁屏蔽室的性能和建造效率。建成后的磁屏蔽系統(tǒng)已應(yīng)用于天問二號磁強計、SMILE衛(wèi)星MAG磁強計等磁探測載荷的測試及試驗，后續(xù)可為更多的深空探測任務(wù)、空間科學(xué)衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等磁探測載荷的定標(biāo)試驗提供穩(wěn)定可靠的弱磁定標(biāo)環(huán)境。

由于磁場仿真計算的局限性，本文未能對各不確定因素的影響程度進行更深入細致的研究，后續(xù)可以在建模中考慮對磁場環(huán)境梯度、多層網(wǎng)格劃分、孔縫影響及各類輸入條件進行針對性的改進和分析。