【《磁屏蔽筒的作用及国内外研究现状文献综述》3500字】

磁屏蔽筒的作用及国内外研究现状文献综述1.1、研究背景弱磁检测在当今国防、医疗等领域有很极其重要的应用。在目前宇宙中存在的众多磁场中，已经知晓的范围覆盖在10-14—109特的量级范围量级内。对于那些比地球磁场低，并且不在同一数量级的其他磁场，都可以简单理解为弱磁。例如空间磁场，生物磁场等等。在诸多的方向上，都有着弱磁展现的舞台，例如军事方面、医学方面、地球物理、工业检测等。在近些年的军事方向上，磁探测可以应用于载人航天器和航天站的空间探测、军用战斗机和民用飞机的导航系统、潜水艇在海中的事实定位和水下导弹的追踪系统等等。舰载潜水艇以及核潜艇是当今评价国家军事战力的重要指标之一，首要解决问题就是，舰载潜水艇以及核潜艇对于雷达的屏蔽问题。对于现在的科学技术发展来看，科学家们对于声音隐藏和电磁波隐藏等技术水平都已经达到了很难突破瓶颈的时候。现如今科技发展速度飞快，创新已经成为了当今这个时代的代名词。由此，各国科学家都已经将目光放在了新型产物弱磁上面，利用弱磁检测技术的舰载潜水艇和核潜艇可以更快，跟准确的屏蔽众多雷达的探测扫描[1]。而对于现在的医学治疗方面，人体脑细胞错综复杂而且还容易因为收到外力或者异常诱发一系列的病变。由于，人体大脑对于人非常重要，是人体生命活动的指挥官，常规的方法几乎都不可以对大脑发生的异常进行有效的处理。但是大自然也是神奇的，大脑皮层下的很多锥形细胞都整齐有规律的排列，在活动的情况下，他们会与人体的神经元细胞产生交互作用，他们会产生集成电流，而这微乎其微的电流会生成一种微弱的磁场。而对于这种微弱的磁场，医疗方面的科研工作者开始尝试利用弱磁检测技术去绘制出脑细胞组织的磁场分布图，有了这些图像之后，医疗人员就可以很清楚明了的找出人体大脑中所存在的病理变化[2]。弱磁检测技术对于医疗方面有着及其重要的作用。图1.1左为军舰搭载的磁探测反潜舰艇探测技术，图1.1右为脑磁检测方面的应用。图1.1军舰搭载的磁探测反潜舰艇探测技术，脑磁检测方面的应用1.2、常见的弱磁检测设备就近些年来的科学发展而言，弱磁检测中经常用的弱磁检测仪器主要有质子磁力仪、磁通门磁力仪、光泵磁强计、悬挂式磁力仪和SERF原子磁力仪等。质子磁力仪是在感受到激励场激励质子之后质子极化，再激励场退去后质子会在地磁场的作用下产生一个以地磁为轴的场，其频率与地磁场的强度有一部分关系[3]。磁通门磁力仪也称为磁饱和磁传感器，它的芯材是选取了具有高磁导材料的软磁合金——坡莫合金。它是通过法拉第电磁感应定律设计的一种电磁装置它作为一种测量磁量的装置，在很多科研方面都有所涉及。磁通门磁感器可以适用于高速运作的工作环境，所以在弱磁探测方面也具有不容小视的作用[4]。光泵磁强计是利用圆偏振光激发待测磁场中的气体原子系统产生其塞曼子能级之间粒子数差，从而观测磁共振效应的原理制成的磁强计，主要用于测量弱磁场[5]。悬挂式磁力仪又称悬丝式磁力仪，由光路靠自然光读书，由磁棒组成的磁体结构。该仪器的上层是极值读数部分。将悬丝置于南北方向，这时地磁场垂直分量与悬丝垂直，产生磁力矩，使磁棒绕悬丝摆，而地磁场的水平分量与悬丝相平行，故不产生磁棒选轴的磁力矩。SERF原子磁力仪具有超高灵敏度是在光泵磁力仪的基础上发展而来的，通过消除自旋交换增宽成分，实现提升碱金属原子之间的相干性的效果[6]。图1.2从左到右一次为质子磁力仪、超导量子干涉仪、光泵磁强计、SERF原子磁力仪。图1.2质子磁力仪、超导量子干涉仪、光泵磁强计、SERF原子磁力仪1.3、磁屏蔽筒的作用及国内外研究现状磁屏蔽体为SERF原子磁力仪提供弱磁环境。SERF状态的实现是弱磁环境实现的先决条件之一。因此，一个高效的磁屏蔽系统必不可少的条件是：衰减外部杂散磁场至环境磁场小于10nT[8]。除了极弱的剩余磁场外，还要求较小的磁场梯度和较低的磁噪声，以便获得超高灵敏度。屏蔽系统主要包括主动磁补偿系统和被动磁屏系统两种[9]。对于SERF原子磁强计，有源磁补偿系统通常涉及一组安装在屏蔽内的三轴正交亥姆霍兹线圈，用于进一步衰减剩磁并提供校准磁场。除了补偿线圈，还有几种不同的磁场补偿方法。在2004年，普林斯顿大学的S.J.Seltzer等人提出了交叉调制的方案[10]；调制在X轴方向的磁场，利用不同频率的正弦场和Z轴方向进行调制。Y轴方向中的磁场方向是通过检测DC项获得的。磁性为X轴和Z轴方向的场分量由不同调制频率的锁项放大器。优点是可以实现三轴矢量测量，而缺点是带宽窄和严格准静态条件的要求。2006年，廖志敏等人在威斯康星大学，提出了参数调制[11]。利用Z方向的调制场，并且一次频率和二次谐波频率信号是由锁定放大器同时测量，对应分别为X和Y方向的场分量。这种方法带宽大，可以抑制光振动和热气流噪声。然而，只有双轴矢量可以获得测量值。2008年，加州伯克利大学Ledbetter等人提出了原位磁补偿的技术方案[12]；通过锁定放大器将正弦调制场置于X轴，得到Z轴磁场。类似地，可以通过施加调制磁信号来获取X轴的磁场在Z轴上。该技术方案的优点是补偿精度高，而缺点是只能串行补偿。2012年，北京航天航空大学团队秦博士等人提出了一种适用于大磁环境的屏蔽方法，结构简单，但是补偿精度不高[13]。2014年，北京航天航空大学团队提出了顺序磁概念，考虑探头光泵浦效应的补偿，并证明了可以具有更好的长期性能[14]。无源磁屏蔽通常是利用高导磁率材料如坡莫合金具有的高磁导特性，其屏蔽系数大约是106，但是，它会引起磁噪声。高磁导率屏蔽材料的磁噪声和具有简单几何形状的导电物体都会产生约翰逊电流，可以通过公式进行计算[15]。为了进一步提高磁力仪弱磁探测的灵敏度，必须消除来自屏蔽筒本身的磁场噪声，这是限制serf原子磁力仪实验室灵敏度进一步提高的根本途径。Serf原子磁力计噪声主要可以分为三类：量子噪声、磁噪声和技术噪声。量子噪声由量子中的不确定性原理决定。磁噪声，由自旋投影噪声、光子散粒噪声和光移虚磁噪声决定。与其他两种噪音相比，磁噪音是限制灵敏度增强的关键因素。为了减少磁噪声，2007年，低噪声MnZn铁氧体被用作最内层屏蔽壳，将屏蔽性能提高一个数量级[16]。该材料具有高磁导率的优势，可用于将外部磁场的剩磁屏蔽到很小。另一方面，材料自身产生的磁噪声就很弱，预计低噪音磁屏蔽将会成为超高灵敏度和磁场惯性测量的研究热点。自SERF出现以来磁力计问世以来，它们已被用于各个领域，例如：作为EDM的基础科学研究[17]，SERF磁力计可以测量磁场和惯性[18]。单原子和混合原子磁力计只考虑电子自旋而忽略核子自旋，然而，当电子和核子的自旋都被考虑到了，出现了一个新形磁力计，它主要由碱原子的极化电子、惰性气体的超极化核，如Cs-129Xe,K-3He[19],K-Rb-21Ne[20],3He-129Xe[21]等构成。此磁力计基于原子磁力计，并进一步发展成为原子陀螺，常用于超高灵敏旋转传感，超出了物理学的标准模型。例如CPT违反洛伦兹对称性[22]和自旋-自旋相互作用力[23]。2006年，H.Xia等人在普林斯顿大学，检测并绘制由大脑诱发的磁场，并且使用K-SERF磁力计进行听觉刺激，其梯度灵敏度等于3.5fT/Hz1/2;六通道使用线性光电探测器阵列获得脑信号[24]。2014年，KiwoongKim等人在韩国研究标准与科学研究院，成功的使用多通道的K-SERF磁力计来监测来自人脑活动[25]。2010年，CortJohnson等人在桑迪亚国家实验室，使用光纤耦合多通道RbSERF记录来自听觉神经的刺激的信号[26]。虽然泵浦和检测是同轴的，泵浦和检测光束的参数可以是通过独特的双色泵/探针进行调整和优化，CortJohnson和P.D.D.施温特等人在桑迪亚国家实验室和新墨西哥大学，利用磁性方法确定肿瘤中细胞数量[27]。2013年和2016年，桑迪亚国家实验室实施了一个多通道多传感SERF磁力计来测量MEG信号[28-30]。目前，SERF磁力计的理论灵敏度极限尚未达到，微型化未达到要求。针对这一基本现状，优化磁屏蔽筒结构，提高磁屏蔽筒的磁屏蔽性能，降低磁场噪声，是提升serf原子磁力仪实验室测试灵敏度的关键。参考文献[1]韩颖琳,姚志剑.脑磁图在精神疾病中的应用进展[J].中国神经精神疾病杂志,2008,34(9).[2]唐剑飞,桂永胜,江能军.潜艇消磁系统综述船电技术[J].2005,6,1-3.[3]IlsuRhee,ChanKim.Theconcentrationdependenceofrelaxationtimesofhydrogenprotonintheaqueoussolutionofironferritemagneticnanoparticles.2003,261(3):4.[4]BossMichaelA,MatesJohnAB,BuschSarahE,SanGiorgioPaul,RussekStephenE,BuckenmaierKai,IrwinKentD,ChoHsiao-Mei&ClarkeJohn(2014).Prototypephantomsforcharacterizationofultralowfieldmagneticresonanceimaging.72(6),1793-800.[5]李大明.弱磁场测量仪器的进展和应用[J].电测与仪表,1985(01):35-41.[6]李曙光,周翔,曹晓超,盛继腾,徐云飞,王兆英,林强.全光学高灵敏度伽原子磁力仪的研究,物理学报,(录用),2009.[7]李曙光,周翔,曹晓超,盛继腾,徐云飞,王兆英,林强.全光学高灵敏度铷原子磁力仪的研究[J].物理学报,2010,59(02):877-882.[8]M.Djamal,E.Sanjaya,Yulkiflfli,andRamli,“Developmentofflfluxgatesensorsanditsapplications,”inInternationalConferenceonInstrumentation,Communications,InformationTechnology,andBiomedicalEngineering,2011,pp.421–426.[9]S.Morales,M.Corsi,W.Fourcault,F.Bertrand,G.Cauffet,C.Gobbo,F.Alcouffe,F.Lenouvel,M.LePrado,F.Bergeretal.,“Magnetocardiographymeasurementswith4hevectoropticallypumpedmagnetometersatroomtemperature,”PhysicsinMedicine&Biology,vol.62,no.18,p.7267,2017.[10]D.Overway,T.Clem,J.Bono,andJ.Purpura,“EvaluationofthepolatomicP-2000laserpumped[11]He-4magnetometer/gradiometer,”inOceans,vol.2,2002,pp.952–960.Z.Li,R.T.Wakai,andT.G.Walker,“Parametricmodulationofanatomicmagnetometer,”AppliedPhysicsLetters,vol.89,no.13,p.1153,2006.[12]M.Ledbetter,I.Savukov,V.Acosta,D.Budker,andM.Romalis,“Spinexchange-relaxation-freemagnetometrywithcsvapor,”PhysicalReviewA,vol.77,no.3,p.033408,2008.[13]J.FangandJ.Qin,“Insitutriaxialmagneticfifieldcompensationforthespin-exchange-relaxation-freeatomicmagnetometer,”ReviewofScientifificInstruments,vol.83,no.10,p.227,2012.[14]J.Fang,T.Wang,W.Quan,H.Yuan,H.Zhang,Y.Li,andS.Zou,“Insitumagneticcompensationforpotassiumspin-exchangerelaxationfreemagnetometerconsideringprobebeampumpingeffect,