“零磁空間”的奧秘

中國地震局地球物理研究所 王紅強(qiáng) 金海強(qiáng)

河北省文安地震臺(tái) 盧法林

中國地震局地球物理研究所 王紅強(qiáng)

“零磁空間”的奧秘

Secrets of “Magnetic Field Free Space”

中國地震局地球物理研究所 王紅強(qiáng) 金海強(qiáng)

地磁場與“零磁空間”

地球“天生”有磁場，地磁場是地球的固有資源。地磁場起源于地面以下3000～5000千米深處的地球外核導(dǎo)電磁流體，一直延伸到地面以上1000千米的高空，無時(shí)不在，無處不在，像一張無形的天網(wǎng)，將所有人物、山水、藍(lán)天白云囊括其中。在這張?zhí)炀W(wǎng)的最外層、約6～1000千米的高空有一層厚厚的電離層，好似一件比天還大得多的厚實(shí)的防輻射服，阻擋著宇宙高能粒子的入侵，保護(hù)著地球上的所有生靈免遭超強(qiáng)輻射的“涂炭”。

地磁場可以用于導(dǎo)航，指南針和羅盤就是常用的地磁導(dǎo)航儀表。地磁場是全球場，像地理坐標(biāo)系一樣，可以定義地磁坐標(biāo)系，包括地磁北極和南極、磁赤道、磁緯度等要素，這就為航空、航天、航海提供了除地理經(jīng)緯度之外的第二套天然坐標(biāo)系。地磁場是矢量場，任意一點(diǎn)的地磁場矢量既有大小也有方向，地磁矢量處處不同，且與該點(diǎn)的地理經(jīng)緯度存在一一對應(yīng)關(guān)系，理論上可以利用地磁場實(shí)現(xiàn)全球定位和導(dǎo)航。實(shí)際上，由于具備全天候、全覆蓋無死角、能耗低等優(yōu)勢，地磁導(dǎo)航在航天軍工等領(lǐng)域的確是重要的導(dǎo)航輔助手段。

然而，地球上卻有這么一處所在，偏偏脫離了這無縫天網(wǎng)，“自絕”（自我隔絕）于天網(wǎng)之外，這就是“零磁空間”，它謝絕地磁場入內(nèi)，在它內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了只有外太空才有的零（極弱）磁場環(huán)境，仿佛一座人造天宮佇立在地表人間?！傲愦趴臻g”座落于美麗的北京國家地球觀象臺(tái)院內(nèi)，是一座屏蔽了地磁場的大型裝置，由我國科研人員歷時(shí)8年（1981-1989年）自行研制的。

作為地球自身的基本物理場，以及地震前兆信號采集的常規(guī)項(xiàng)目，對地磁場的觀測一直是許多地震（地磁）臺(tái)站的常規(guī)手段，同時(shí)每年還要開展大規(guī)模的加密觀測的流動(dòng)地磁測量，在此基礎(chǔ)上編制每五年更新一次的《中國地磁圖》。大規(guī)模的觀測需要大批量的儀器支持，對儀器的檢測除了同類型儀器的比測之外，還需要一個(gè)能夠提供零磁場和任意磁場環(huán)境的場所對儀器進(jìn)行絕對精度的校準(zhǔn)和標(biāo)定，這就是當(dāng)初立項(xiàng)研制“零磁空間”的初衷。

實(shí)驗(yàn)室外景，經(jīng)過2012年全面裝修，環(huán)境升級

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)景，從觀測室看“零磁空間”

“零磁空間”提供了只有外太空才有的接近于零磁場的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，既可以開展弱磁（如地磁場）測量儀器（如地磁儀、衛(wèi)星磁強(qiáng)計(jì)）的檢測和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，也有利于自身磁信號很弱、且要求實(shí)驗(yàn)環(huán)境磁噪聲水平極低的實(shí)驗(yàn)研究的開展，比如巖石變形和破裂過程中伴生的電磁信號的觀測與研究，心磁、腦磁等人體磁場和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，無磁育種、動(dòng)植物繁殖和培育等生物磁學(xué)對比實(shí)驗(yàn)等。

“零磁空間”還是一個(gè)適合開展巖石電磁實(shí)驗(yàn)的理想場所。對大的地震來臨之前出現(xiàn)的各種電磁異?，F(xiàn)象已有大量的記錄和報(bào)道，但背后的物理機(jī)理和過程仍然存在很多爭論。通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對巖石樣品加載壓力，同時(shí)監(jiān)測伴隨巖石變形和破裂過程出現(xiàn)的電磁信號，可以實(shí)現(xiàn)對地震電磁前兆現(xiàn)象的小尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)。但是由于電力電子設(shè)備使用的日益普及，人為造成的電磁干擾日益嚴(yán)重，我們準(zhǔn)備測量的巖石電磁異常信號往往比來自周圍環(huán)境的電磁噪聲還要弱，因此非常需要一個(gè)像“零磁空間”一樣“安靜”的無（弱）電磁噪聲的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

“零磁空間”系中國地震局地球物理研究所聯(lián)合原冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院科研人員共同研制，自建成至今已26年，開展了大量磁力儀檢測標(biāo)定、人體和生物磁學(xué)實(shí)驗(yàn)以及巖石電磁實(shí)驗(yàn)，并吸引和接待了數(shù)千名中外人員的參觀訪問?！傲愦趴臻g”實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維工作出色，測試環(huán)境優(yōu)越，至今運(yùn)行良好，實(shí)驗(yàn)繁忙依舊。

骨架木模

用高純鋁材料澆鑄成的骨架

“零磁空間”工作原理

骨架進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室

屏蔽層的制作安裝

檢測和標(biāo)定球形線圈

在“零磁空間”內(nèi)用標(biāo)準(zhǔn)線圈產(chǎn)生人工可控磁場，用來測試和標(biāo)定磁力儀，配備以高精度電子測量設(shè)備，能夠精確控制和調(diào)節(jié)人工磁場，獲批為地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB/T 28-2008《弱磁感應(yīng)強(qiáng)度測量儀器檢定規(guī)程》

地震背景場項(xiàng)目儀器測試驗(yàn)收

“零磁空間”服務(wù)于航天軍工行業(yè)，為人造衛(wèi)星上搭載的磁通門磁強(qiáng)計(jì)提供檢測標(biāo)定服務(wù)

研制過程和工作原理

零磁裝置系采用高純鋁鑄造的正八角26面體骨架作為主體框架，包裹以兩層高純鋁板（電屏蔽層）和八層高磁導(dǎo)率的坡莫合金材料（磁屏蔽層）構(gòu)成的，利用特殊材料和特有形狀（近似于球形）實(shí)現(xiàn)了對地磁場的“靜態(tài)”屏蔽，不用通電，就能達(dá)到完全的屏蔽效果。當(dāng)磁力線“遭遇”高導(dǎo)磁合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，從而改變“前進(jìn)”方向，順著導(dǎo)磁層面“流走”。導(dǎo)磁合金圍成的近球狀封閉空間將磁力線“拒之門外”，從而達(dá)到屏蔽地磁場，形成“零磁場”空間的效果。“零磁空間”的內(nèi)部剩余磁場小于20 nT，不到正常地磁場強(qiáng)度的萬分之五。

作用用途

磁力儀檢測、標(biāo)定和驗(yàn)收

利用弱磁感應(yīng)強(qiáng)度檢定系統(tǒng)可對各類地磁場和弱磁測量儀器或傳感器進(jìn)行檢測、標(biāo)定和驗(yàn)收。檢測和標(biāo)定過的儀器包括地震局系統(tǒng)的各類地磁儀、航天部門的衛(wèi)星磁強(qiáng)計(jì)、高溫超導(dǎo)量子干涉儀、大地電磁測深儀、電磁波儀等。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)（2004年至今），共檢測標(biāo)定各類磁力儀390套，大致分為以下三類：為地震局系統(tǒng)檢測標(biāo)定各類地磁儀器125套；為航天、軍工部門標(biāo)定衛(wèi)星磁力儀78套，大多數(shù)已搭載人造衛(wèi)星上天；為大學(xué)、研究所及民營企業(yè)標(biāo)定儀器187套。

巖石電磁實(shí)驗(yàn)

在“零磁空間”開展巖石受壓變形破裂實(shí)驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測釋放出的電磁異常信號，是地震電磁前兆研究的一部分，有助于理解震前電磁異常現(xiàn)象規(guī)律及其內(nèi)在的物理機(jī)理。

人體磁場監(jiān)測和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)

即在“零磁場”環(huán)境中開展監(jiān)測人體磁場變化，如腦磁、心磁、胃磁、經(jīng)絡(luò)磁場等，及與醫(yī)學(xué)磁法診療相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。合作單位有北京大學(xué)物理學(xué)院、北大醫(yī)院、中科院物理所、中日友好醫(yī)院、北京市第六醫(yī)院、北京協(xié)和醫(yī)院耳鼻喉科、301醫(yī)院耳鼻喉科等。合作開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括《心磁圖儀及心磁圖的研究》（利用高溫超導(dǎo)進(jìn)行人體心磁的測量）、動(dòng)物（兔子）心磁實(shí)驗(yàn)、《針磁治療前后生物磁變化》、聲誘發(fā)腦磁反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)等。作為測試樣本，數(shù)百位正常人和患者在“零磁空間”接受過心磁測量實(shí)驗(yàn)。

生物磁學(xué)對比實(shí)驗(yàn)

在“零磁空間”中對植物種子進(jìn)行處理，開展無磁育種實(shí)驗(yàn)。分別在“零磁場”和天然磁場環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)植物的培育、喂養(yǎng)、繁殖等實(shí)驗(yàn)，對比分析零磁場環(huán)境對生物發(fā)育、生活習(xí)性和遺傳特征的影響。合作單位有北京大學(xué)、中科院生物物理所、農(nóng)科院系統(tǒng)眾多單位（如原子能所、江西農(nóng)科院、安徽農(nóng)科院作物研究所、浙江農(nóng)科院水稻研究所等）、第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院、河南信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院等。開展的實(shí)驗(yàn)包括《零磁空間對中樞神經(jīng)遞質(zhì)的影響》、《零磁空間對農(nóng)作物的生物遺傳效應(yīng)研究》、《零磁空間無磁育種的探索與研究》（零磁場環(huán)境中麥子、玉米、水稻、豆類、花生、油菜和各種蔬菜種子的誘變實(shí)驗(yàn)）、《零磁場對動(dòng)物冬眠的影響》等。

“零磁空間”有過很多實(shí)驗(yàn)故事：種麥子、育花、養(yǎng)鸚鵡、老鼠下崽、烏龜冬眠、兔子手術(shù)等。

參觀訪問

每年吸引和接待大專院校學(xué)生、中學(xué)生、國內(nèi)外科技工作者、社會(huì)公眾等數(shù)百人次到實(shí)驗(yàn)室參觀訪問，26年來累計(jì)接待數(shù)千人次到訪。

巖石自膨脹破裂和巖石壓裂實(shí)驗(yàn)

人體心磁實(shí)驗(yàn)

動(dòng)物心磁實(shí)驗(yàn)

針刺磁效應(yīng)研究

經(jīng)過“零磁空間”處理的小麥種子明顯延遲發(fā)芽，并有抑制幼苗生長、延遲抽穗、制矮等效果

在“零磁空間”中，金黃倉鼠繁殖至子3代以后，出現(xiàn)毛色白化現(xiàn)象，且體質(zhì)變?nèi)?，繁殖力下降，壽命縮短

國際核查會(huì)議與會(huì)代表參觀

·科普詩·

零磁的奧秘

河北省文安地震臺(tái) 盧法林

中國地震局地球物理研究所 王紅強(qiáng)

地球磁場深部來，無處不有時(shí)刻在。

保護(hù)人類電離層，地磁導(dǎo)航天路開。

天宮零磁好環(huán)境，科學(xué)研究顯妙用。

天階路險(xiǎn)難企及，人造天宮攬勝景。

零磁空間磁真空，歷時(shí)八年來完成。

導(dǎo)磁合金蔽磁線，國際先進(jìn)留美名。

零磁空間磁真空，弱磁稱量有妙用。

地磁儀器上百種，感應(yīng)系統(tǒng)來檢定。

零磁空間磁真空，預(yù)測研究有專攻。

巖石受壓易變形，異常信號各不同。

零磁空間磁真空，人體磁學(xué)有應(yīng)用。

腦磁心磁經(jīng)絡(luò)磁，低磁環(huán)境顯神通。

零磁空間磁真空，生物磁學(xué)趣無窮。

金黃倉鼠毛白化，零磁串紅變粉紅。

零磁空間磁真空，科普宣傳有前景。

無磁世界多奇幻，青年才俊興趣濃。