基于计算机仿真的被动型氢钟磁屏蔽系统磁场分析 - 上海天文台.pdf

中国 科 学 院上 海 天 文 台 年 刊 年总第 期 基基基于于于计计计算算算机机机仿仿仿真真真的的的被被被动动动型型型氢氢氢钟钟钟 磁磁磁屏屏屏蔽蔽蔽系系系统统统磁磁磁场场场分分分析析析 冷如冰 ，王 瑞 ，戴家瑜 上海大学 通信与信息工程学院，上海 ； 中国科学院 上海天文台，上海 摘 要：磁屏蔽系统是被动型氢原子钟的重要组成部分，它的好坏直接影响到物理系 统输出信号的具体数值，表现为氢钟抵御外界磁场干扰的能力。通过仿真较为直观地 展示并分析了特定磁屏蔽系统在特定外界磁场环境中的工作情况，并且通过原理分析， 仿真了在使用特定退磁工艺时磁场在磁屏蔽上的分布情况。根据仿真结果建立了模型， 探索了适应于被动型氢原子钟的退磁方法，及相应的结构设计。该方法贴合被动型氢 钟磁屏蔽材料的特性，使得退磁工艺的设计有针对性。 关 键 词：被动氢钟；磁屏蔽系统；退磁工艺；计算机仿真 中中中图图图分分分类类类号号号：：： 引 言 随着中国被动型氢原子钟技术的日益发展，为进一步提高其性能指标，对系统 各个部件的性能要求也更加严格。其中氢原子钟磁屏蔽系统是重要的一环，它采用 坡莫合金制造，对外界环境磁场的干扰能起衰减或屏蔽作用，以减小外界磁场对原 子能级的扰动，从而使得氢原子钟的物理系统给出相对稳定的跃迁信号。由坡莫合 金材料做成的若干封闭的圆柱筒，按照形状大小依次嵌套，可使屏蔽筒中心磁场最 小 。通常需做成三层以上的屏蔽罩，并经过细致的热处理和周密的退磁，才能满 收稿日期： ； 修回日期： 通讯作者：戴家瑜， 中国科学院上海天文台年刊中国科学院上海天文台年刊中国科学院上海天文台年刊 年年年 足性能要求 。 现阶段上海天文台被动型氢原子钟沿用了主动型氢钟的退磁方法，在热处理后 再进行交流退磁。使用的方法为均匀降低磁场法，主要是大电流下的退磁，采用手 动操控。由于主、被动氢钟在结构上存在差异，被动型氢钟部分薄弱环节承受能量 的能力有限，因此，通过仿真可较为直观地分析退磁过程中的实际磁场情况，发现 问题，从而提出相应的改进方法。 合金材料 性能参数 目前在被动型氢钟领域用于屏蔽外磁场所采用的磁屏蔽层的材料是高初始磁导 率的坡莫合金，牌号为1j85。坡莫合金是一种在弱磁场下具有较高的磁导率和低的 矫顽力的软磁合金 。 上海天文台1j85 合金材料委托外单位加工，表1 给出了0.9 mm 合金板的基本 性能参数。 表 合金材料 的相关性能参数 初始磁导率 最大磁导率 矫顽力 饱和磁感应 厚度 强度 本文使用相对磁导率µ = 30 000 和电导率σ = 10 000 000 S/m 近似表示1j85 材料的磁学性能参数，并采用Maxwell 软件分析。 环境磁场下的内部磁场分析 三维静磁场的计算采用的是棱边法，即以剖分单元边上待求场量为自由度求 算。三维下静磁场的麦克斯韦方程组如式(1) 所示： ∇ (x, y, z) = (x, y, z) , (1)