实验环境中主动消磁器的研究与设计

张 波，胡成浩，孙 哲，王鹿霞

（北京科技大学 数理学院 北京市弱磁检测及应用工程技术研究中心，北京 100083）

凝聚态物理学的发展，深刻地影响着人类的生活。对超导、氧化物、铁磁、半导体、二维材料等多种材料体系的深入研究，积极推动着半导体电子学、自旋电子学、光电子学等新型器件的开发与应用。目前在实验室中对各类凝聚态物质的操控与表征已经向低维量子尺度发展，在原子水平上调控量子材料的物性日臻完善。这不仅需要相关的实验与表征仪器具有更高的空间、时间分辨率和探测灵敏度，同时也需要仪器处于稳定的实验环境以达到其应有的灵敏度。而现代城市发展的产物如地铁、高压线等产生了多种强度与频率的振动及电磁辐射干扰，实验室建筑内不同的实验仪器也会产生交叉电磁干扰[1]。这部分干扰磁场的波形十分复杂且随实验环境的变化而变化。干扰磁场一般由变换缓慢的地磁场及电子设备产生的交变磁场组成，其中交变电磁场相对复杂，它包含了各种频率的无线电波、电磁脉冲及电磁振荡，具有不稳定性。以载荷粒子为基础的实验仪器，如透射与扫描电子显微镜、用于监控纳米薄膜生长的高能和低能电子衍射仪、电子束曝光机等，对这些外磁场的干扰异常敏感。例如球差校正透射电子显微镜[2]空间分辨率达到亚埃级，能量分辨率高于100 meV，这样电镜所处位置的直流及缓慢变化的交流磁场通常应不高于50 nT，以免影响电子束的精确飞行、成像及能谱探测。而其他与磁场或磁探测相关的精密仪器如波色-爱因斯坦凝聚相实验中的磁阱等同样需要超低的磁场环境。

目前常用的实验室磁屏蔽系统分为被动式磁屏蔽[3-4]和主动式磁屏蔽系统。一类被动式磁屏蔽系统是采用高磁导率的合金如缪金属（μ-metal）或波莫合金将仪器区域密封。杂散磁场更易于从磁屏蔽材料中通过，从而可以减少内部空间的剩余磁场。高磁导率材料对直流磁场屏蔽效果较好，但对交流磁场的屏蔽效果则非常有限。另一类被动式磁屏蔽系统采用铝或铜等高电导率材料，通过涡流（eddy current）产生磁屏蔽效果[5-6]。环境中交变的磁场会在高电导率材料中产生涡流，形成反向磁场，从而限制外场进入内侧区域。高电导率磁屏蔽材料对静磁场无效，随着磁场频率的增加，屏蔽效果越明显。将高磁导率和高电导率材料交替铺设，能同时达到屏蔽静磁场和交变磁场的效果。被动式磁屏蔽系统的缺点是所使用的材料价格昂贵，且设计与安装过程需要大量的计算和复杂的工程加工，缺乏便捷性，对小型凝聚态实验仪器并不经济。

主动式磁屏蔽系统近年来越来越受到实验室的青睐。该系统通常由磁场探测器和亥姆赫兹线圈构成。利用磁性传感器实时探测杂散磁场，并激励亥姆赫兹线圈产生反相磁场从而抵消杂散场的影响。主动式磁屏蔽系统可以同时抵消静磁场和交变磁场，具有构造简单、安装便捷、尺度小、控制自动化等优点。早期的主动式磁屏蔽系统均采用模拟信号，通过比例-积分-微分（PID）控制器[7]进行高速处理，虽然可以有效地对输入信号进行反相处理，却无法直接观察外界干扰场以及消磁后磁场的变化。本文利用Labview 信号处理系统结合磁通门测量以及亥姆赫兹线圈产生对抗磁场[8-9]，进行数字化处理与反相操作，实现对干扰磁场的定量分析与同步跟踪，以及杂散磁场的消除。该系统适用于多种小型凝聚态物理学实验对磁屏蔽系统的灵活要求。

1 实验装置的设计

如图 1 所示，主动消磁器由亥姆霍兹线圈和Labview 控制系统构成。将磁通门探头置于亥姆霍兹线圈正中心，信号通过数据采集卡（DAQ）输入至Labview 系统，进行数字化采集并显示环境的杂散磁场[10-11]。通过Labview 控制系统对采集的磁场信号进行反向处理，若杂散磁场较大还可通过功率放大器输出相应的电流，驱动亥姆霍兹线圈产生反向磁场，达到消磁目的。

图1 主动消磁器系统构成

为了有效抵消空间某处的磁场，需将亥姆霍兹线圈的对称中心置于此处（如图2 所示的点O），然后以点O 为原点，同时沿着X、Y、Z 轴放置三组对称的亥姆霍兹线圈[12]。下面以Z 轴方向的亥姆霍兹线圈为例，计算其有效消磁范围，得到的结果同样适用于其他轴向。

图2 亥姆霍兹线圈示意图

一对亥姆霍兹线圈以Z 轴为轴心放置，设两线圈的半径均为R，线圈匝数为N，平面相隔为h，两线圈内通过大小和方向均相同的电流I。由毕奥萨伐尔定律得到沿线圈中心轴线上（Z 轴）的磁场分布为

若两线圈平面距离等于线圈半径，即h =R，则z点处的磁场分布为

具体的，本文中采用的亥姆霍兹线圈R=12.5 cm(h=R)，N=35。为进一步精确地给出亥姆赫兹线圈所产生的反相磁场的作用范围，通过有限元方法[13]对产生的磁场进行模拟。所使用的软件为FEMM（finite element method magnetics）分析数据包[14]。当线圈通过电流I=200 mA 时，有限元分析方法计算出ZOX 平面磁场分布如图3 所示。图3 中央橙黄区域为磁场|Bp-B0|≤ 50 nT 的区域，亥姆霍兹线圈的有效作用区域在中心2 cm 附近。

为了定量研究亥姆霍兹线圈有效区域大小与线圈通电电流、线圈匝数以及线圈尺寸的关系，本文给出图4 的数值模拟结果。由图4 看到，增大电流以及线圈匝数，亥姆霍兹线圈的有效区域逐渐减小；而当保持不变时，线圈尺寸的增大会使有效区域的大小同步增大并呈线性关系。由此可知，若想在大范围内控制环境磁场，可以通过增大亥姆霍兹线圈尺寸实现。

图3 亥姆霍兹线圈ZOX 平面内磁场分布

图4 亥姆霍兹线圈有效区域变化

2 消磁器的实时监测与控制

实验使用巴廷顿公司生产Mag690 磁通门探头，该探头能提供频率1 000 Hz 以下、精度为0.1 nT 的磁场探测，为了探测空间内直流和交流磁场大小，将探头放置在实验室中，探测1 s 内磁场强度随时间的变化关系如图5(a)所示，对磁场随时间的变化进行傅里叶变换得到其频率分布如图5(b)所示。

图5 环境磁场探测结果

从图5 可以看到：实验室环境中的磁场是由交变磁场和静磁场的叠加而成的；其中静磁场强度平均值在35 900 nT 左右，且振动幅度在300 nT 左右；交变磁场主要分布在工频50 Hz 以及三次谐波150 Hz 处，其强度随时间和空间的变化而变化，但其频率基本保持不变。该杂散磁场频率属于低频磁场，所采用的1 000 Hz 探测频率探头完全能够对其做到瞬时反应。

为了实现环境磁场的检查与控制的自动化，设计了主动消磁器的自动控制流程，如图 6 所示。由NI-ELVIS 设备给磁通门探头Mag690 的V+和V-供电（±12 V 电压），磁通门探头获得初始数据0V （过程①），模拟信号0V 通过NI-ELVIS 的AI0 通道传输至电脑，并同时将模拟信号0V 转换为计算机可读取的数值信号 B0，Labview 接收到磁场初始值 B0，由 B0/k =u0（k 为常系数，与亥姆霍兹线圈有关）得到输出电压u的初始值 u0（过程②③），通过USB-6002 数据采集卡将得到的数值信号 u0转换为实时电压 u0并将电压输出至亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈产生“反向磁场”- B0（过程④⑤），由于背景磁场包含交变磁场，在过程走至④⑤处，背景磁场已经发生变化，偏离探测的初始值，背景磁场由初始值 B0变化为 B1，Δ B1(B1-B0)为背景磁场与“反向磁场”叠加后的剩余磁场。探头探测到剩余磁场将再次把信号传输给NI-ELVIS，同样系统将产生1u 去生成“反向磁场”-1B。由于背景磁场是持续变化的，那么使用高速的探测和反向抵消，在磁场每次变化时都实时产生相应的iu，最后实时输出的产生“反向磁场”为实现实时抵消的效果。

图6 主动消磁器控制流程图

一般实验室环境中的磁场由静磁场和交变磁场组成，且交变磁场频率一般为工频50 Hz，但人为的外界干扰是不可避免的，主动式消磁器也能对此进行实时监测与控制。图7(a)为主动式消磁器将背景磁场消磁后达到平衡时的磁场随时间的分布图，可以看到系统消磁后磁场即使依然错乱复杂，但其环境磁场始终被抑制在50 nT。同时如果给予磁场一定的干扰，磁场在受外界干扰之后也能迅速地再次被系统控制在平衡状态。图7(b)中A、B 两点为消磁平衡时施加了人为干扰，可以看到，主动消磁器可以迅速地将其抵消，快速地再次达到平衡。主动式消磁器消磁后的背景磁场基本符合电子显微镜的工作环境要求，达到了设计的目的。

图7 消磁后磁场变化

3 结语

本文对亥姆霍兹线圈在轴线处产生的磁场进行了分析，得到了轴线上磁场分布的解析解，应用了有限元的方法数值计算出其平面上的磁场分布，发现亥姆霍兹线圈内均匀磁场的有效区域随线圈半径的增加而增加，大范围的均匀磁场需要大尺寸的亥姆霍兹线圈。在主动式消磁器的设计中采用实时监测、实时抵消的自动化控制，可以将环境磁场稳定控制在±50 nT 内，受到干扰后的磁场能在较短时间内再次达到平衡。