学术简报｜大型零磁装置屏蔽系数的计算方法
哈尔滨工业大学空间基础科学研究中心、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院、慕尼黑工业大学物理系的研究人员孙芝茵、李立毅等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文指出，零磁装置屏蔽外界磁场以实现极端微弱磁场环境，由于其边角、孔洞、缝隙等非理想因素，屏蔽特性难以准确预估。大型零磁装置整体尺寸在米级，而屏蔽材料的厚度只有毫米级，采用常规有限元方法将不可避免地遇到剖分问题。
该文提出针对静态磁场屏蔽和交变磁场屏蔽的改进有限元计算方法，采用两种薄层等效边界条件计算屏蔽层内外的磁场变化。通过与理想屏蔽体的理论分析结果进行对比，验证了该等效边界的有效性。基于该方法可进行多层屏蔽的优化设计、分析孔洞对屏蔽系数的影响规律。结合德国慕尼黑工业大学最新建设的零磁装置，通过屏蔽系数的测量实验，验证了该计算方法的有效性。
零磁装置可实现近零磁场环境，在前沿科学、航天国防等方面都具有独特的应用，如基于反物质探测背景的微观粒子固有的电偶极矩的探测、空间磁场探测、生物磁图等。我国在国家重大科技基础设施项目中部署了“空间环境地面模拟装置”的建设任务，其中包含模拟空间磁场的内容，即在地磁场和各类磁场干扰条件下，实现近零磁场环境，进而模拟空间微弱磁场。
近零磁装置的一个主要评价指标是屏蔽系数，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。屏蔽系数不但与零磁装置自身的材料参数和结构特性有关，还与外源场的频率、幅值和源位置有关。零磁装置主要关注静态磁场与低频交变磁场下的屏蔽性能。
目前，大型零磁装置的屏蔽系数还缺乏准确的计算方法，设计值与实现值差别巨大是主要的设计难点。2001年德国联邦物理技术研究院建设的零磁装置BMSR-2是世界上最好的零磁装置之一。该装置在0.01 Hz下的被动屏蔽系数设计值与实现值分别为24000和75000，实现值比设计值高3倍。
与之相反的是，日本COSMOS零磁装置在0.01Hz下的被动屏蔽系数设计值与实现值分别为200000和16000，实现值是设计值的1/12。原因是零磁装置在设计过程中主要采用屏蔽系数的解析公式进行计算，对边角、孔洞、缝隙等不可解析因素的影响分析存在误差。
为考虑不可解析因素对屏蔽系数的影响，本文主要采用有限元法进行屏蔽体的磁场分析。然而大型零磁装置可容纳仪器和科研人员的活动，尺寸在米级；被动屏蔽层由高导磁材料（如坡莫合金）和高导电材料（如铝合金）组成，材料厚度在毫米级。直接采用有限元法计算将不可避免地面临剖分问题：薄层需要足够的剖分，剖分单元的尺寸在亚毫米量级，整个屏蔽系统的单元数目巨大，无法建立兼顾计算精度的高效计算模型。
针对静态磁场屏蔽和交变磁场屏蔽，本文提出改进的有限元计算方法，分别采用两种薄层等效边界条件计算屏蔽体内外的磁场变化。将采用该方法对理想球体屏蔽的计算结果与解析分析对比，以验证边界条件的有效性。进而采用该方法进行多层屏蔽的优化分析，计算孔洞处的漏磁情况。最后，将该方法应用于德国慕尼黑工业大学的零磁装置，通过对比实验结果验证计算方法的有效性。
图10 德国慕尼黑工业大学的零磁装置结构
本文针对大型零磁室剖分问题，建立了基于两类薄层等效边界条件的有限元计算方法。通过对比理想球体屏蔽的理论分析，验证了等效边界条件的有效性。
基于该方法建立的正方体屏蔽模型可考虑边角处的漏磁因素和屏蔽材料磁导率的非线性特征，提高了计算精度。利用该方法可有效地进行多层屏蔽的优化设计、孔洞对屏蔽系数的影响分析。最后，采用该有限元方法分析了德国慕尼黑工业大学的零磁装置的屏蔽系数，计算值与测量值吻合较好，验证了计算方法的有效性。
本文建立的屏蔽系数计算模型与优化方法为建立我国国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置”中的高性能零磁/弱磁装置提供了良好的理论基础。