近日，实验物理教学中心在磁场屏蔽领域取得重要进展。实验物理中心顾晨从基本的楞次定律演示实验出发，利用闭合超导线圈发展了一种磁场噪音抑制技术。根据楞次定律可知，闭合的导体回路会阻抗磁通变化，如果这种闭合回路由超导材料构成则会完美的抑制磁通变化。但抑制磁通并不意味着抑制磁场，为了实现特定位置磁场稳定，实验中心老师利用RL电路方程联合线圈磁场方程求解，并利用数值仿真手段。寻找到满足磁场屏蔽条件的线圈结构特解。实验表明，利用这种方法可以在无源的条件下将环境噪音广谱抑制60dB以上，在白天开放的条件下，达到生物磁学测量的要求，如图1所示。如果进一步结合传统的PID主动控制技术，还可进一步压制噪音。从文献调研来看，该系统无论在覆盖频谱范围，还是屏蔽系数，已经实现目前开放式磁屏蔽最高指标。因为对动态特别是工频电磁噪音优秀的屏蔽能力，项目组命名这种磁屏蔽为Tesla-shielding（TS），以纪念交流电的发明人尼古拉斯特斯拉。

图1. TS系统屏蔽系数频谱图（屏蔽系数定义为外磁场与屏蔽后剩余磁场比值）

该研究成果以“Open magnetic shielding for static and alternating field”为题发表在《科学仪器评论》期刊（Rev. Sci. Instrum. 93, 045103 (2022); doi: 10.1063/5.0083306）上。前述理论工作发表在【Appl. Phys. Lett. 110, 193505 (2017); doi: 10.1063/1.4983490】上，该研究工作得到基金委面上项目、中科院战略先导研究项目资助。

磁场屏蔽是许多精密测量科学的通用保障性技术，在尖端测量环境：如高精密原子钟、电子束成像装置、质谱仪、中微子探测、生物磁测量中得到广泛引用。这其中最为贴近日常生活，并为人类健康带来福祉的测量技术是生物磁学测量。心磁图谱、脑磁图谱检测为心脏病的早期检测和21世纪人类脑科学研究提供了重要的技术手段，相应设备是各国医疗装备研发的制高点。在此类应用中，由于生物磁信号非常微弱，只有10^-15~10^-12T量级，而环境磁场噪音比信号大3-6个数量级，因此此类测量通常需要工作在磁屏蔽环境中。

图2. TS磁屏蔽与心磁、脑磁测试结合结构示意图

传统的磁屏蔽方式利用高磁导率合金材料形成闭合腔体而成，闭合腔体光学不透明、重量大、容易被磁化、造价高，对人体还有引起幽闭恐惧症的担忧。如果能实现开放式的磁屏蔽有望实现光学透明、性价比高、人体友好特性的磁场屏蔽，可以为弱磁测量提供更多选择，如图2所示。该装置已经应用于空间环境地面模拟国家大科学工程、航天研发等多个精密测试案例。

本研究合作单位为北京原力辰超导技术有限公司。研究还得到北京大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、物理所等院校和单位的大力支持。