研究前沿︱近零磁环境装置现状综述
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员李立毅、孙芝茵等，在2015年第15期《电工技术学报》上撰文，磁场极其微弱甚至接近零的特殊环境条件在科学研究和技术研发方面具有独特的意义。通过被动屏蔽、主动补偿等手段，可以在地磁场和各类干扰磁场的环境下实现这种近零磁场。世界各国已根据不同的应用需求建设了高水平近零磁环境装置，国内相关研究也已初步展开。结合近年来的最新成果，详细阐述了此类装置的建设方案与指标特性的现状。
粒子和场是自然界物质存在的两种基本形态，在以场形态存在的物质中，磁场是宇宙中极其重要和普遍的一种场。磁场环境作为重要的环境因素和科学研究条件，是磁科学技术发展的重要基础，在不同领域具有重要应用。
目前宇宙中存在的磁场，已知的就覆盖10-14~109T的量级范围。“弱磁”是指磁场较弱的磁场，主要指低于地球表面磁场的磁场，如空间磁场、生物磁场等。“零磁”理论上是磁场为绝对零值的环境。由于技术条件限制，目前采用人工手段尚难实现绝对的“零磁”环境，只能实现极弱的近零磁场环境，也简称为零磁环境。
近零磁场环境在前沿科学、航天国防等方面都具有独特的应用。从基本物理研究方面来说，探测微观粒子固有的电偶极矩需要在高度稳定的微弱磁场下进行，近零磁环境的稳定性达到飞特斯拉量级，能够使得实验达到前所未有的探测准确度，可提供理解宇宙中物质与反物质的对称性的重要信息，而且此类零磁环境下的粒子实验研究与高能碰撞粒子实验研究互补，是反物质探测研究的新方向。
在空间物理研究方面，利用零磁环境建立高精度微弱磁场标准，能够保证微弱磁场测量仪器的测量准确度，保证空间磁探测不被航天器自身磁性干扰，以进行高精度的空间磁场、动态等离子、能量粒子等的探索。
在地球物理研究方面，零磁环境和高准确度微弱磁场探测技术是准确研究岩石磁性的先决条件，从而通过剩余磁性分析磁化历史并研究地磁场特征。
在生物物理方面，零磁环境可应用于生物体本征磁场和生物体自身磁特性的研究，利用电磁原理研究生命活动的信息，并探讨外界电磁场对生命的影响、调理和干预。近零磁场环境还可应用于航天器磁特性、地磁导航技术、地磁异常探测等研究，在航天工程、军事国防等领域发挥重要作用。
总之，空间科学、地球物理、航天工程、国防工业、生命科学等多种学科的发展都对零磁/弱磁环境提出了应用需求，且随着研究深入，近年来对近零磁场的要求不断提高。
近零磁场环境的主要评价指标是屏蔽系数、磁场噪声和剩余磁场。屏蔽系数衡量磁屏蔽体的屏蔽有效性，采用屏蔽前后磁场强度或磁感应强度的比值或其dB值表示。磁场噪声描述磁场干扰信号随频率分布的量值，通常用特定频域下的功率谱密度或振幅谱密度表示。剩余磁场为近零磁环境的绝对磁感应强度。近零磁环境装置的电磁设计、机械结构、材料组成、周围环境特性决定了其最终指标参数。
值得注意的是：以上指标还与被屏蔽磁场特性等因素有关，因此进行分析时，需明确该指标是在何种频率、幅值下测量的。
1 初代近零磁环境装置
1967年，美国伊利诺大学的David Cohen建立了一间零磁屏蔽室Magneticallyshielded room (MSR)[1]，目的是通过屏蔽地磁场与干扰磁场提高人体磁场测量准确度，进而研究人体心脏的生物电流。该零磁室的内部空间为2.23m×2.23m×2.23m，由2层1.52mm的坡莫合金和1层4.8mm的铝构成，低频磁场屏蔽系数约400。这是世界上第一次在较干净的磁场环境下测量心磁图。
随后，David Cohen又于1970年在美国麻省理工学院建立了第二个零磁室[2]。该零磁室为26面类球体，最内层直径2.5m，最外层直径4.0m，由3层高导磁薄板和2层纯铝组成。作为美国国家基础设施，零磁室屏蔽系数近900，在当时已达到了很高的水平。
1970年，德国VAC公司为达姆施塔特大学建立了欧洲的第一个零磁室[3]。1977年，欧洲航天研究和技术中心（ESTEC）在荷兰建立了零磁室，目的是建立物体磁特性精确测量环境[4]。1980年，芬兰赫尔辛基大学建立了Otaniemi零磁室，是欧洲第一个三层屏蔽的大体积零磁室[5]。1980年，德国联邦物理技术研究院（PTB）建立了6层软磁材料屏蔽的零磁室，是当时屏蔽层数最多的零磁室[6]。
进入90年代以后，亚洲一些国家也开展了零磁室的建设。1996年，日本的超导传感器实验室建设了类球形的零磁室COSMOS，用于研发超导量子干涉仪[7]。1997年，韩国标准计量与科学研究院也研制了零磁室，主要用于生物磁图研究[8]。零磁室内部尺寸为2m×2m×2.5m。其内部中心处的直流磁场屏蔽系数达1000，1Hz交流磁场和10Hz交流磁场的屏蔽系数分别为103和104。此外，1Hz交流磁场的噪声为500 fT/Hz1/2，10 Hz交流磁场的噪声为100 fT/Hz1/2。
2 国际著名近零磁环境装置
近零磁环境装置的一个重要指标参数是低频磁场屏蔽系数，对于被动屏蔽与主动补偿结合的装置，该屏蔽系数指的是综合作用下的屏蔽系数。2000年后某些国家建立的近零磁装置指标快速提升、性能优异，以低频磁场屏蔽系数为指标的排列顺序如下：第一，德国联邦物理研究院PTB的BMSR-2，0.01Hz极低频磁场的屏蔽系数为2×106。第二，美国麻省理工学院与哈佛大学联合生物医学中心的MSR。第三，日本超导实验室的COSMOS。第四，德国联邦物理研究院PTB的BMSR。第五，芬兰的赫尔辛基大学的MSR。
德国国家物理技术研究院PTB的零磁实验室BerlinMagnetically shielded room (BMSR-2) 是当前世界上性能最优的零磁实验室，由德国PTB、德国西门子公司、德国VAC公司三家机构于2004年联合建设[9]。该零磁室主要开展生物磁学、磁性纳米粒子、微观粒子电偶极矩的研究。
零磁室由1层射频屏蔽、主动补偿线圈、7层坡莫合金和1层铝组成，最内屏蔽层外观及室内情况如图1所示。其内部尺寸为2.9m×2.9m×2.9m，建筑尺寸15m×15m×15m。零磁室的0.01Hz低频被动屏蔽系数75000，与线圈系统配合的综合屏蔽系数可达到2×106，5 Hz下的综合屏蔽系数达到了108。经退磁后，内部剩余静磁场低至0.9nT，磁场噪声低至5 fT/Hz1/2（5Hz）[10]。该装置在当时刷新了静态屏蔽与动态屏蔽的世界指标，并至今保持“世界上最好的零磁室”称号。
德国PTB在此之前已经建立了一个零磁装置BMSR[6]。该零磁室内部尺寸为2.25m×2.25m×2.25m，外部尺寸为4.6m×4.6m×4.6m，0.01Hz-10Hz被动屏蔽系数达到10000，1Hz下的磁场噪声约100fT/Hz1/2。此多层屏蔽室为德国PTB零磁实验室的研究打下了重要的基础。
图1 德国PTB的BMSR-2
美国麻省理工学院与哈佛大学联合生物医学中心的MSR由瑞士公司Imedco于2002年建立[11]。零磁室如图2所示，内部尺寸为4.0m×3.0m×2.4m，外部尺寸为5.3m×4.3m×4.1m。该零磁室包括三层，每一层由高导磁材料和高电导材料组成。被动屏蔽因数S为1630（0.01Hz）、 3600（0.1 Hz），2.4×105（1Hz），7.8×107（10Hz）。
结合主动屏蔽系统，屏蔽因数增大约6-10倍（0.1Hz）。该装置主要开展生物磁学的研究，其建设发起人David Cohen教授是在近零磁环境下研究生物磁场的开拓者，被SCIENCE杂志誉为脑磁图之父。
图2 美国MIT零磁室
日本超导传感器实验室是由若干个日本大学与科研单位联合组成的实验室研制，目前该实验室已经解散，其建设的COSMOS零磁实验室如图3所示[7]。零磁室由四层高导磁材料和一层铝构成，形状类似足球，内部直径约4m，外部直径约6.1m。其屏蔽系数在32Hz的情况下达到最大1700000，在1Hz时为420000。COSMOS在此0.3-300Hz范围内的屏蔽能力很好，而在更高的频域范围，屏蔽系数由于集肤效应存在有所降低。
图3 日本COSMOS零磁室
芬兰赫尔辛基大学低温实验室与芬兰技术研究中心的仪器实验室共同建立了零磁室 [6]。该零磁室用于磁力计的检测、退磁研究、地球物理研究样本的测量、人体电流产生的弱磁场的测量等。零磁室如图4所示，内部尺寸为2.45m×2.8m×3.15m。屏蔽室经过退磁处理后，内部磁场约5nT，对应静态屏蔽因数近10000。
图4 芬兰零磁室
3 国内近零磁环境装置
我国最早的零磁装置是中国计量科学研究院于1966年建立的卧佛寺弱磁实验室，作为弱磁场下的核磁共振研究课题之用，并于1978年获得全国科技大会奖[12]。
1988年7月，中国地震局地球物理所与钢铁研究总院联合设计建造的零磁空间实验室室竣工[13]。该零磁室为类球面体，如图5所示，采用高导磁率的坡莫合金屏蔽，总重量约6吨，内部直径约为2 m，磁场噪声为0.89×10-12T/Hz1/2。该零磁室主要用于岩石磁性、生物磁性的探测，以及高精度磁强计的标定等。然而近年来随着周围环境的改变，该零磁室指标有所下降。
图5 中国地震局零磁空间实验室室
2001年，国防军工计量科研项目“交变弱磁场标准装置”由中船重工第710所磁学实验室（国防科技工业弱磁一级计量站）承担，并与俄罗斯门捷列夫计量院开展技术合作[14]。装置采用屏蔽筒实现零磁环境，如图6所示，并在屏蔽筒内设置线圈。2004年弱磁范围：1×10-8~3×10-6T（10Hz~1kHz）；2008年降低至1×10-11T~3×10-6T（10Hz~1kHz）。该装置的空间尺寸为Ф18.8mm×480mm，主要用于磁测量仪器的标定。
图6 中船重工的交变弱磁装置
4 近零磁环境装置的最新进展
2011年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）设计建造了目前世界上最体积大的零磁装置[15]，建设目标是满足散裂中子源的中子自旋回波光谱仪的需求。由于光谱仪需在离中子源不同的位置工作，零磁室的覆盖体积达到了长度17m、宽度5.5m、高度4.4m，如图7所示。
零磁室的要求关键是高均匀性，即内部磁场梯度小，而其低频屏蔽因子100即可满足应用需求。由于光谱仪对高频磁场干扰不敏感，该装置不需要高电导率屏蔽层屏蔽高频磁场。但装置具有辐照屏蔽，采用300mm厚度的混凝土层，吸收中子俘获反应引起的散乱的中子和gamma射线。由此可见，ORNL的零磁装置具有其独特的特点。
图7 美国ORNL零磁室
2012年，美国斯坦福大学建设了大长径比圆柱形的零磁装置，目的是通过原子干涉测量研究广义相对论中的爱因斯坦等效原理[16]。该装置内部尺寸为Ф8.7m×0.18m，由三层屏蔽组成，内部径向磁场为42nT，两个横向方向的磁场为46nT、73nT。该装置通过焊接后统一热处理屏蔽材料，将屏蔽性能提高了100倍。
2014年，德国慕尼黑大学最新建设的近零磁环境装置采用了最新的设计与工艺，装置内部磁场均匀度达到了同等尺寸装置的世界第一。该装置主要用于微观粒子固有电偶极矩的研究[17]。装置仅由2层坡莫合金组成，内部空间为2.50m×2.78m×2.30m，结构如图2-13所示。装置中心1m×1m×1m区域的磁场梯度<700±200pT；距离屏蔽门60cm处，剩余静磁场已经<1nT；距离直径<6cm的空洞5 cm处，剩余磁场已经<3nT；显示了较大体积下的良好磁场均匀度。
图8 德国TUM的MSR
5 结论
随着最新科学研究的发展，近零磁场装置已不仅用于生物磁图、岩石磁学的研究，更逐步成为航空航天技术、基本物理学等方面研究的不可或缺的极端环境条件。近零磁环境装置的指标需求也逐步提升，并根据不同的应用背景具有特殊的功能要求。
从技术层面而言，国际上已经能够仅用2层或3层屏蔽即在房屋尺寸的空间中实现nT量级剩余磁场和fT量级磁场噪声，而国内近零磁场装置甚至还未有健全的性能参数测量与评价体系，屏蔽系数、剩余磁场、磁场噪声等关键参数更有待提高。
而近零磁场环境装置还有若干关键技术问题未能解决，国际一流水平的零磁/弱磁环境装置依然存在设计指标与实际性能具有巨大差别的问题。屏蔽材料的导磁特性、屏蔽性能的理论计算、应力、温度、振动等对磁场噪声的影响、屏蔽材料的退磁技术等方面还存在未解决的科学问题。
随着高新科学技术研究的需求发展，近零磁场环境的关键技术问题需开展深入研究，提升我国的近零磁场环境装置建设能力刻不容缓。近年来，我国在基本物理、空间物理、地球物理、生物物理、航天工程技术、磁测量技术等多方面都提出了对高水平近零磁环境的需求，这将是提升我国近零磁场环境实现技术与相关应用领域研究的国际地位的良好契机。