0 引　言

古地磁屏蔽室能够屏蔽地球磁场和外界环境干扰磁场，为长岩芯超导磁力仪、旋转磁力仪、热退磁仪、交变退磁仪等设备提供洁净的工作磁场环境。对于探测海洋深部资源，研究人员一般凭借经验利用科考船在相关海域挖掘海洋岩层岩心样本，返港后送到陆地上的古地磁屏蔽室进行检测分析，不能实时地分析了解当前海域的资源分布情况，造成科考船频繁出海，科研周期增长、成本增加，所以船载古地磁屏蔽室的建设意义重大。

建设在陆地上的古地磁屏蔽室一般采用硅钢制作，要求剩余磁场在300 nT以内，目前有成熟的设计和建设方案^[1-2]。传统陆地上的古地磁屏蔽室一般不配置消磁系统，若磁屏蔽室被磁化后，通过临时绕制环形消磁线圈进行局部退磁，极少古地磁屏蔽室配置的消磁系统也只具有单方向的消磁功能。建设在大型试验科考船上的坡莫合金古地磁屏蔽室，需要克服诸如船体振动、海上盐雾环境、周围复杂铁磁性物质等不利因素来保证可靠工作，其中最关键的影响因素是船体航向变化中磁屏蔽层磁化程度不同进而影响古地磁屏蔽室性能。

建设在陆地上的应用在各种领域的磁屏蔽室配置的消磁系统形式多样但无法很好地适用于船载工况。刘习凯等^[3]发明了一种磁屏蔽室消磁线圈系统及制备方法，设计的“Z”字形消磁线圈结构简单，复杂程度降低，高效便捷。孔祥燕等^[4]发明了一种磁屏蔽室的设计方法及系统，通过构建多层磁屏蔽层的机械模型，确定最佳的层间距和屏蔽层厚度以达到最优的屏蔽效能。王帆等^[5]发明了一种应用于心脑磁图、超导磁力仪的大型磁屏蔽系统及其消磁装置和消磁方法。Sun等^[6]介绍了一种立方体消磁线圈绕制方法和消磁线圈孔洞设计并利用有限元（Finite Element Method，FEM）仿真计算了球体结构的屏蔽系数，指导了磁屏蔽的设计，对保护测量设备和实验不受环境磁场干扰有重要意义；Sun等^[7]介绍了坡莫合金屏蔽材料的动态磁屏蔽性能并通过 Jiles-Atherton 模型和经验相移模型进行了仿真分析计算；Yang等^[8]研究了一种检测生物磁信号的极弱磁屏蔽装置，建立Jiles-Atherton 模型分析不同消磁阶数、不同测试场和不同环境场下的磁屏蔽装置磁化试验；Sun等^[9]提出了一种受应力效应的磁屏蔽装置性能的优化分析模型和方法；Altarev等^[10]描述了一种多功能便携式磁屏蔽室，介绍了屏蔽层结构和消磁线圈的设计，在生物磁学、地球科学等领域，对于残余磁场和磁场噪声来源的研究为未来超低磁场梯度环境和实验设备的改进设计提供依据；Gu等^[11]设计了一种无源磁场抵消装置PMFCD，通过闭环控制抵抗磁通变化保持内部磁通恒定；Brys等^[12]介绍了提高4层铁磁性屏蔽层复合主动稳定系统，通过磁传感器接收外部干扰磁场，利用围绕在磁屏蔽体外部磁场线圈实时反馈输送电流，在内部形成稳定磁场空间，在中子电偶极矩测量中发挥重要作用；Kato等^[13]介绍了一种主被动复合屏蔽系统，采用高导磁屏蔽板和有源磁场线圈复合屏蔽，发挥各自的优势，在生物学磁场测量中对于磁场噪声的影响起到了较好的抑制作用；杨振宇等 ^[14]优化设计了船载铁磁性物质退磁线圈并进行了磁场性能分析，应用于航磁测量得出精确的磁场数据；郭成豹等^[15]利用改进后的MagShip磁场分析软件对舰载消磁线圈磁特征进行数值分析，仿真结果与实际符合性较好。20世纪末21世纪初，国外对广泛应用在生物磁学、基础物理学等领域的磁屏蔽室的设计和消退磁方法进行了相关报道^{[16 - 28]}。Bork等^[16]介绍了一种8层结构的立方体磁屏蔽室的设计方法及安装工艺，能够营造纳特级剩余磁场和飞特级磁场噪声的磁场环境，用于基础物理科学研究；Mager等^[17]设计建造了7层结构的立方体磁屏蔽室，屏蔽效能从直流场延伸至GHz场，用于超导SQUID磁力计测试提供极弱磁场环境。

国内外对磁屏蔽室的研制开展了大量的研究工作，设计了适用于不同领域应用的消退磁线圈系统，同时也采用了诸如Ansys Maxwell、MagShip、Comsol Multiphysics等磁场仿真软件进行分析计算，但是所有的磁屏蔽装置均建设在陆地上，且一旦建成磁屏蔽室位置固定不变，所处的背景地磁场分布规律不会发生较大变化，磁化规律基本保持一致，消磁方式单一。建设在科考船上的磁屏蔽室是随着航行方向实时地改变方位，且航行在不同纬度下所处的地磁场分布也不同，需要实时动态消退磁，大大增加了消退磁难度。由于磁屏蔽室一般设计为多层屏蔽结构，功能上的需求存在大量的孔洞、拐角和间隙，相比矩量法和有限时域差分等算法，有限元方法更适合处理复杂几何形状的物理问题。针对上述难题，本文研究基于FEM的船载古地磁屏蔽室消退磁方法，配置一种适用于船载古地磁屏蔽室消退磁系统，较好地解决了古地磁屏蔽室被磁化后能够恢复到剩余磁场小于100 nT的初始技术状态的难题，为海洋深部资源探测科学研究提供有力支撑。

1 磁屏蔽消退磁原理

消退磁的目的是通过随机定向磁畴（理想情况下是在每个空间方向上）将剩磁降低到理想值B(H=0)=0。实际上，通过施加由电流通过线圈产生的交变磁场（如正弦磁场）来实现。电流幅度根据所选的包络函数（例如线性函数）减小。

$ I={I}_{0}\mathrm{sin}\left(2\text{π} ft\right)\cdot{\left(1-\frac{t}{T}\right)}^{{n}{{'}}}，\left(n > 0\right) 。$

(1)

式中：I为时刻t时的电流；I₀为输入电流振幅；根据屏蔽材料和线圈匝数确定，保证强度能使材料磁化达到饱和；电流频率f由匝数和振幅I₀来确定，频率越低，总的消磁时间T越长；n的值用于调节消磁磁场的衰减变化。

消退磁时从屏蔽材料内部产生磁饱和的电流开始，一直减小到0，磁场强度变化如图1(a)所示。这个减小的交变磁场H迫使磁化强度M =B−μ₀H 循环通过磁滞回线，如图1(c)所示，从饱和进入退磁状态，剩磁在磁滞回线不可逆阶段变化缓慢，在可逆阶段变化较快，如图1(b)所示，有利于打乱磁畴排布方向。

在使用静态固定线圈退磁的情况下，只有在线圈电流产生的磁场方向上才能获得磁畴的理想随机取向，由于所有磁畴都朝向1个空间方向，因此其他2个方向不应有磁化。然而受实际船载平台磁场环境复杂、随航行地点和方位改变、屏蔽层存在大量边角、缝隙以及孔洞结构等影响，传统循环绕制的消磁线圈退磁性能受限。

2 船载古地磁屏蔽室消退磁设计

古地磁屏蔽室安装在目前国内最大吨位的“梦想号”科考船第四甲板舱室内，用于深部资源探测装备技术研发。实船主尺度总长为179.80 m，水线长为175.00 m，型宽为32.80 m，型深为15.50 m，设计吃水为9.20 m，结构吃水为9.50 m，设计排水量为42500 t，定员为180人，肋骨间距为700 mm。待建设古地磁屏蔽室的舱室尺寸为8900 mm（长）×3600 mm（宽）×2980 mm（高）。拟建设的古地磁屏蔽室是一种扁长结构，如图2所示。

古地磁屏蔽室安装在科考船舱室内，由于科考船在行进过程中有不同的航向，磁屏蔽室随着所处地磁方向的变化切割地磁场磁力线也发生变化。这与建设在陆地上的古磁屏蔽室方位固定不变不同，对磁屏蔽室各个磁屏蔽面磁化程度也不同，表现出磁屏蔽室内部剩余磁场不同，古地磁屏蔽室安装在科考船特殊工作环境下需要配置适用可靠的消磁系统。本文利用商用有限元仿真软件Ansys Maxwell对古地磁屏蔽室进行建模，通过有限元方法仿真分析内部剩磁分布，指导消磁系统设计。

2.1 现场环境磁场测量

以古地磁屏蔽室实际安装位置（科考船舱室内）周围磁场环境作为仿真计算外界磁场的干扰源，测试仪器选择为磁通门磁强计。生产厂家：中国船舶集团有限公司第七一〇研究所；规格型号：FS3A-A0；主要技术指标：测量范围±100 μT，频响DC～1 kHz，正交度0.1°，精度0.1 nT。对现场环境磁场进行实际测量，如图3所示，测试结果如表1和图4所示。

2.2 外部磁场复现

通过有限元建模仿真时根据现场测试结果对仿真输入源进行准确还原，保持分布规律相同，且与外部磁场数值的量级一致，如表2和图5所示。

2.3 不同航向下磁化仿真分析

磁屏蔽室由双层坡莫合金屏蔽层构成，外层尺寸为8.78 m×3.58 m×2.94 m，坡莫合金厚度为4 mm，内层尺寸为8.48 m×3.28 m×2.74 m，坡莫合金厚度为4 mm。磁屏蔽室的宽度方向和船首平行，长度方向和船首垂直，科考船在航行过程中可以有任意航姿，船首和地磁场的水平较大分量所处的夹角范围为0°～90°，由于磁屏蔽室是非立方体结构，在任一航姿下古地磁屏蔽室内部剩余磁场强度分布不同。仿真模拟船载古地磁屏蔽室在不同航向下内部剩余磁感应强度分布，即航向与地磁场水平分量夹角成0°、45°和90°典型航态下的磁感应强度分布，覆盖了科考船在行进过程中的航姿范围上限、下限及中间典型航姿，能够较为完善地论证不同航向下的磁化程度，如图6所示。

磁屏蔽室模型仿真所用的坡莫合金材料磁参数，如图7所示。

不同夹角时磁感应强度分布如图8和表3所示。

通过上述仿真计算分析，在夹角为0°、45°、90°下的磁屏蔽室内部平均剩余磁感应强度分别为103.6、86.5、48.3 nT，即在90°下古地磁屏蔽室内部剩余磁场最小，0°时内部剩余磁场最大，角度在0°～90°内部剩磁趋于48.3～103.6 nT，选取典型45°夹角内部剩磁为86.5 nT。通过上述仿真分析可以看出磁屏蔽室与地磁场水平分量不同夹角下的磁化程度不同。

2.4 消磁系统设计

针对上述问题，为了保证磁屏蔽室在不同航向下被磁化后均能通过消退磁恢复到较好的技术状态，通过优化设计消退磁线圈对磁屏蔽室进行消磁。

消磁线圈由3组两两正交的消磁绕组构成，分别定义为水平循环消磁线圈、南北循环消磁线圈和东西循环消磁线圈。每组消磁线圈内外分别包裹对应循环的磁屏蔽层，当消磁线圈接通设置的特定交流震荡电流时，会在磁屏蔽层中产生闭合循环的振荡交流磁场。

水平循环消磁绕组线圈和磁场流向模拟如图9所示。

南北循环消磁绕组线圈和磁场流向模拟如图10所示。

东西循环消磁绕组线圈和磁场流向模拟如图11所示。

3组循环消磁绕组线圈和磁场流向模拟如图12所示。

水平、南北和东西线圈绕组可分别接通消磁电源进行单独消磁，也可把3组线圈绕组相互串联接通消磁电源进行整体式消磁。消磁过程中，电源激励采用的是频率一定、幅值逐渐减小到零的供电消磁模式。

2.5 实测数据

目前建设的科考船停靠在广州南沙某码头，整船交付给船东预计本年底，近期船厂对科考船的动力系统进行了试验，在距离码头约几十海里进行了试航，变化了多种航行姿态，东西、南北及东南方向覆盖了船艏与地磁场水平分量0°～90°夹角。科考船试航完成后返回码头停靠，古地磁屏蔽室的磁屏蔽层有不同程度的磁化，采用磁通门磁强计对内部剩余磁感应强度进行测试，部分磁屏蔽室未消磁状态下的测试数据如表4所示。

由图13可知，未消磁状态下古地磁屏蔽室内部平均剩余磁感应强度为133.6 nT。

南北循环绕组、东西循环绕组以及水平循环绕组消磁后磁感应强度结果如表5所示。消磁后古地磁屏蔽室内部平均剩余磁感应强度降低为53.1 nT，如图14所示。

古地磁屏蔽室内部剩余磁感应强度现场测试如图15所示。

磁屏蔽室建设完成试航后，磁屏蔽室内部剩磁较初始状态性能指标有所降低，通过消磁处理后，古地磁屏蔽室内部剩余磁场由133.6 nT降低到53.1 nT，能够较好地恢复古地磁屏蔽室的性能。

3 结　语

本文针对船载古地磁屏蔽室受不同航行方向磁化程度不同，进而影响古地磁屏蔽室性能，通过研究一种消磁系统方法，能够保证古地磁屏蔽室通过消退磁处理恢复到初始的技术状态，给从事相关行业的技术人员提供了较好的借鉴。同时古地磁屏蔽室处于磁场大小不同的地理位置时磁化程度不同，在两极、赤道等不同纬度处的地磁场大小和方向均不同，目前科考船没有两极及赤道的航行经历，后期将进一步验证此种消磁方法的在上述情形下的可行性。