新型高性能磁屏蔽系统在被动型氢原子钟上的应用

潘志兵，谢勇辉，帅涛，陈鹏飞，裴雨贤，潘晓燕，赵阳，徐昊天，林传富

新型高性能磁屏蔽系统在被动型氢原子钟上的应用

潘志兵1,2，谢勇辉1，帅涛1，陈鹏飞1，裴雨贤1，潘晓燕1，赵阳1，徐昊天1，林传富1

（1. 中国科学院 上海天文台，上海 200030；2. 中国科学院大学，北京 100049）

磁屏蔽系统有效地屏蔽了地球磁场和空间杂散磁场对氢原子跃迁信号的干扰，在被动型氢原子钟中发挥着重要作用。一种高性能磁屏蔽材料构建的新型磁屏蔽系统在被动型氢原子钟投入使用，磁屏蔽系数、磁滞回线、抗磁化能力以及磁敏感度等各项指标测试都优于传统磁屏蔽系统。新型磁屏蔽系统的重量仅为传统磁屏蔽系统的80%，从而减轻了整机的重量。新型磁屏蔽系统的应用，为被动型氢原子钟实现高质量高信噪比的氢原子跃迁信号，以及保持其高准确度高稳定度的时频信号打下了坚实的基础。

被动型氢原子钟；高性能磁屏蔽系统；磁屏蔽系数；磁滞回线；抗磁化能力；磁敏感度

0 引言

被动型氢原子钟使用基态氢原子自（= 1，F= 0）态至（= 0，F= 0）态的超精细能级跃迁谱线对压控晶振进行鉴频锁定，从而实现高准确度、高稳定度和低漂移率的时频信号输出，并用于高精度计时。目前其长期频率稳定度可达3×10-15/d，频率漂移率小于5×10-15/d，已在卫星导航定位系统如北斗系统和伽利略系统中得到了广泛应用[1-2]。

被动型氢原子钟的工作磁场一般约为100 nT（1 mGauss），远小于地球磁场和周围空间杂散磁场，同时被动型氢原子钟一般会使用钛泵维持其高真空度，而后者带有较大磁场强度的磁铁，因此好的磁屏蔽系统是非常必要的。为了屏蔽地球磁场和其他空间杂散磁场对原子跃迁的干扰，被动型氢原子钟一般采用高磁导率并经过细致热处理和大电流退磁后的坡莫合金（permalloy）同轴圆柱筒构建磁屏蔽系统，以达到较好的屏蔽效果[3]。

被动型氢原子钟物理部分结构图如图1所示。由图中可知，内层磁屏蔽、中层磁屏蔽和外层磁屏蔽同轴线放置，共同组成了磁屏蔽系统，微波谐振腔位于内层磁屏蔽内部，原子运动区域原子储存泡位于微波谐振腔内部。内层磁屏蔽的直径约为10 cm，高度约为20 cm。中层磁屏蔽的直径约为11 cm，高度约为22 cm。外层磁屏蔽的直径约为12 cm，高度约为24 cm。每层磁屏蔽的厚度均为1 mm，3个磁屏蔽筒同轴线等间距放置。

图1 被动型氢原子钟物理部分结构图

磁屏蔽材料本身的剩余磁场要尽可能地小。磁屏蔽系统的性能决定了其抵抗外部磁干扰的能力，进而影响氢原子钟原子跃迁信号幅度及其信噪比，磁屏蔽系统的质量与被动型氢原子钟的性能指标息息相关。

1 磁屏蔽系统的分析和设计

被动型氢原子钟的跃迁谱线频率可用式（1）表示：

对式（1）求偏导，可得到式（2）[4]:

坡莫合金主要成分是铁和镍，其最大特点是具有很高的弱磁场磁导率，其含镍量不同其性能也有所差异。对于三层同轴圆柱形磁屏蔽筒，其横向屏蔽因子可用下式（3）计算[5-6]：

式（3）中，和分别是屏蔽外和屏蔽内的磁场强度，,,分别是自内向外三层磁屏蔽筒材料的磁导率，其余符号的意义如图2所示。屏蔽因子随等参数的大小不同而不同。

对于三层同轴圆柱形磁屏蔽筒，其横向屏蔽因子还可以简单表示为式（4）[7-8]:

本单位被动型氢原子钟使用的新型磁屏蔽系统和传统磁屏蔽系统结构上基本一致，两者的差异主要在于新型磁屏蔽筒采用了新型特种坡莫合金材料，其重量仅为传统磁屏蔽系统的80%，且磁屏蔽系数更高，磁滞回线更“窄”更“瘦”，抗磁干扰能力和抗磁化能力均有较大提升，为在微波腔内实现高质量高信噪比的氢原子跃迁信号创造了良好的条件。

2 磁屏蔽系统的性能测试

2.1 磁屏蔽系数

为了测试磁屏蔽系统的屏蔽系数，首先将三层圆柱形的磁屏蔽筒呈轴对称状态组装固定[9]，并保持各个屏蔽层之间相互绝缘。磁屏蔽筒在装配完成后需要用低频大电流退磁，以去掉磁屏蔽筒中的剩磁，并改善磁场均匀度[10]。

在测量磁屏蔽系数的过程中，磁屏蔽系统空间内部各点的磁屏蔽系数是不一样的，某个具体位置的磁屏蔽系数无法充分代表整个磁屏蔽系统的指标。被动型氢原子钟谐振腔部分只占磁屏蔽系统内部的一部分，原子的运动区域原子储存泡又只占谐振腔内部的一部分，因此总体来说原子储存泡所在位置的磁屏蔽系数较为均匀一致。同时，原子的运动区域原子储存泡的长度约为10 cm，而高精度磁强计的探头长度约为5 cm，探头长度较长，所以选择将磁强计探头放置在原子储存泡的正中央处，以此处测量得到的磁屏蔽系数作为较为均衡的磁屏蔽系数指标。

表1 传统磁屏蔽筒磁屏蔽系数测量数据

表2 新型磁屏蔽筒磁屏蔽系数测量数据

由此可知，采用新型材料的新型磁屏蔽筒磁屏蔽系数得到了极大提高，可对被动型氢原子钟复杂的周围杂散磁场提供更优秀的磁屏蔽效果。

2.2 磁滞回线

图3 传统和新型磁屏蔽筒磁滞回线测量数据

从图3的数据可知，新型磁屏蔽筒的磁滞回线更“窄”更“瘦”，在同样的外界磁场干扰下，能更大程度保持被动型氢原子钟微波腔的磁环境。

2.3 抗磁化能力测试

2.3.1 外部抗磁化能力测试

被动型氢原子钟在长期工作过程中会不断受到外界干扰磁场的影响，可能会导致磁屏蔽系统被重新磁化[17]。因此，有必要检验磁屏蔽系统在外界干扰磁场作用下的磁性能保持情况。

测量中采用亥姆霍兹线圈模拟外部磁场干扰。模拟实验步骤如下：

① 从恒流电源输入到亥姆霍兹线圈的电流从0 A开始，每1 s递增0.01 A，一直增加到3 A，对应最大外加磁场为240 μT，此后从3 A每1 s递减0.01 A，直到电流输入为0 A，完成一次扫描。

② 在较长时间内重复步骤①，即可完成正方向磁场的循环扫描。

③ 此后更换恒流电流的输入方向，此时最大外加磁场为-240 μT，在较长时间内重复步骤①和步骤②，即可完成反方向磁场的循环扫描。

④ 在较长时间内反复进行步骤①~③，即可完成外部磁场干扰的模拟测试。

图4 模拟外部干扰磁场测试的传统磁屏蔽筒中心处磁场数据

图5 模拟外部干扰磁场测试的新型磁屏蔽筒中心处磁场数据

2.3.2 内部抗磁化能力测试

被动型氢原子钟磁屏蔽系统内部设置有场线圈，在特定测试场景下会产生数百倍于基态氢原子跃迁所需磁场（约100 nT）的强磁场，易导致磁屏蔽系统被磁化。因此磁屏蔽系统的内部抗磁化能力也是一项重要的性能指标。

为了测试磁屏蔽系统的内部抗磁化能力，将在场线圈上依次施加不同方向不同大小的电压，从而产生强度较高的内部干扰磁场。测试前标定内部剩余磁场，测试后再次标定内部剩余磁场，从而判断磁屏蔽系统的内部抗磁化能力。在测试过程中，将分别进行循环扫描测试和定值压力测试两项测试。

表3和表4分别展示了这两种磁屏蔽筒内部抗磁化能力的循环扫描测试数据。在循环扫描测试过程中，场电压从0~2 V变化，每次变化0.01 V，每次变化维持1 s，循环维持长达一个小时的测试时间，施加过程中最大磁场约为120 000 nT，并测定正向和反向两个方向的数据。

对于传统磁屏蔽筒，其内部抗磁化能力的循环扫描测试数据如表3所示。在正向循环扫描过程中，传统磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为-14.4 nT和+1.3 nT，其磁场变化量为+15.7 nT。在反向循环扫描过程中，传统磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为+1.3 nT和-7.9 nT，其磁场变化量为-9.2 nT。

表3 传统磁屏蔽筒内部抗磁化能力循环扫描测试

对于新型磁屏蔽筒，其内部抗磁化能力的循环扫描测试数据如表4所示。在正向循环扫描过程中，新型磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为-26.9 nT和-25.8 nT，其磁场变化量为+1.1 nT。在反向循环扫描过程中，新型磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为-25.8 nT和-26.6 nT，其磁场变化量为-0.8 nT。

表4 新型磁屏蔽筒内部抗磁化能力循环扫描测试

由表3和表4的测试数据可知，新型磁屏蔽筒在循环扫描测试过程中其内部抗磁化能力远优于传统磁屏蔽筒。

表5和表6分别展示了这两种磁屏蔽筒内部抗磁化能力的定值压力测试数据。在定值压力测试过程中，场线圈上施加了较高的2 V定值电压，产生约为120 000 nT的磁场，保持长达30 min的施加时间，并测定正向和反向两个方向的数据，以判断强磁场对磁屏蔽系统的影响。

对于传统磁屏蔽筒，其内部抗磁化能力的定值压力测试数据如表5所示。在正向定值压力测试过程中，传统磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为+3.6 nT和-3.6 nT，其磁场变化量为-7.2 nT。在反向定值压力测试过程中，传统磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为-3.6 nT和+3.3 nT，其磁场变化量为+6.9 nT。

表5 传统磁屏蔽筒内部抗磁化能力定值压力测试

对于新型磁屏蔽筒，其内部抗磁化能力的定值压力测试数据如表6所示。在正向定值压力测试过程中，新型磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为-27.6 nT和-24.3 nT，其磁场变化量为+3.3 nT。在反向定值压力测试过程中，新型磁屏蔽筒测试前后的内部剩余磁场分别为-24.3 nT和-26.9 nT，其磁场变化量为-2.6 nT。

表6 新型磁屏蔽筒内部抗磁化能力定值压力测试

由表5和表6的数据可知，新型磁屏蔽筒在定值压力测试过程中其内部抗磁化能力也优于传统磁屏蔽筒。

3 磁屏蔽系统在氢钟的应用

完成传统和新型磁屏蔽筒的磁屏蔽系数，磁滞回线以及抗磁化能力测试后，将其依次安装在同一台被动型氢原子钟上，并将其作为唯一可变量。被动型氢原子钟整机放置在亥姆霍兹线圈的中心区域，其锁定后，输出的10 MHz信号与参考源信号进行比对，即可进行整机输出频率磁敏感度指标的测试，测试框图如图6所示。

图6 被动型氢原子钟磁敏感度测试框图

在测试过程中，通过亥姆霍兹线圈依次施加正方向和反方向大小为200 μT的外界磁场，按照“外界磁场为0→外界磁场为+200 μT→外界磁场为0→外界磁场为-200 μT→外界磁场为0”进行测试。测试其输出频率的变化，即可计算得出整机的磁敏感度指标。

装备传统磁屏蔽系统的整机磁敏感度，一般情况下约为2×10-9/T（2×10-13/Gauss）。

图7和图8展示了装备新型磁屏蔽系统的整机磁敏感度测量数据。从图8数据可知，新型磁屏蔽筒的磁敏感度为5.78×10-10/T（5.78×10-14/Gauss），优于传统磁屏蔽系统的数据。

图7 新型磁屏蔽筒磁敏感度测量数据（0 T）

图8 新型磁屏蔽筒磁敏感度测量数据（左：+200 μT，右：-200 μT）

4 结语

被动型氢原子钟的发展方向是在进一步提高其性能指标的同时实现其更小体积和更轻重量。以新型磁屏蔽材料为核心构建的新型高性能磁屏蔽系统使用了三层磁屏蔽筒设计，其体积和传统磁屏蔽筒相当，但其重量大大减轻，仅为传统磁屏蔽筒的80%，其磁屏蔽系数可达70 000以上，磁滞回线更优，抗磁化能力更强，整机磁场敏感度优于1×10-9/T（1×10-13/Gauss），为实现高质量、高信噪比的原子跃迁信号和高准确度、高稳定度的被动型氢原子钟时频信号提供了坚实保障。

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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, 谢勇辉, 帅涛, 等. 新型高性能磁屏蔽系统在被动型氢原子钟上的应用[J]. 时间频率学报, 2021, 44(1): 45-54.

2020-04-28；

2020-06-19

中国科学院重点部署资助项目（Y883051）