“零磁空間”的奧秘

中國地震局地球物理研究所 王紅強 金海強

河北省文安地震臺 盧法林

中國地震局地球物理研究所 王紅強

“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 金海強

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電磁流體，一直延伸到地面以上1000千米的高空，無時不在，無處不在，像一張無形的天網，將所有人物、山水、藍天白云囊括其中。在這張天網的最外層、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的防輻射服，阻擋著宇宙高能粒子的入侵，保護著地球上的所有生靈免遭超強輻射的“涂炭”。

地磁場可以用于導航，指南針和羅盤就是常用的地磁導航儀表。地磁場是全球場，像地理坐標系一樣，可以定義地磁坐標系，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緯度之外的第二套天然坐標系。地磁場是矢量場，任意一點的地磁場矢量既有大小也有方向，地磁矢量處處不同，且與該點的地理經緯度存在一一對應關系，理論上可以利用地磁場實現全球定位和導航。實際上，由于具備全天候、全覆蓋無死角、能耗低等優勢，地磁導航在航天軍工等領域的確是重要的導航輔助手段。

然而，地球上卻有這么一處所在，偏偏脫離了這無縫天網，“自絕”（自我隔絕）于天網之外，這就是“零磁空間”，它謝絕地磁場入內，在它內部實現了只有外太空才有的零（極弱）磁場環境，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院內，是一座屏蔽了地磁場的大型裝置，由我國科研人員歷時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項目，對地磁場的觀測一直是許多地震（地磁）臺站的常規手段，同時每年還要開展大規模的加密觀測的流動地磁測量，在此基礎上編制每五年更新一次的《中國地磁圖》。大規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，還需要一個能夠提供零磁場和任意磁場環境的場所對儀器進行絕對精度的校準和標定，這就是當初立項研制“零磁空間”的初衷。

實驗室外景，經過2012年全面裝修，環境升級

實驗室內景，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驗環境，既可以開展弱磁（如地磁場）測量儀器（如地磁儀、衛星磁強計）的檢測和標定實驗，也有利于自身磁信號很弱、且要求實驗環境磁噪聲水平極低的實驗研究的開展，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學實驗，無磁育種、動植物繁殖和培育等生物磁學對比實驗等。

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

“零磁空間”系中國地震局地球物理研究所聯合原冶金工業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定、人體和生物磁學實驗以及巖石電磁實驗，并吸引和接待了數千名中外人員的參觀訪問?！傲愦趴臻g”實驗室運維工作出色，測試環境優越，至今運行良好，實驗繁忙依舊。

骨架木模

用高純鋁材料澆鑄成的骨架

“零磁空間”工作原理

骨架進入實驗室

屏蔽層的制作安裝

檢測和標定球形線圈

在“零磁空間”內用標準線圈產生人工可控磁場，用來測試和標定磁力儀，配備以高精度電子測量設備，能夠精確控制和調節人工磁場，獲批為地震行業標準DB/T 28-2008《弱磁感應強度測量儀器檢定規程》

地震背景場項目儀器測試驗收

“零磁空間”服務于航天軍工行業，為人造衛星上搭載的磁通門磁強計提供檢測標定服務

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）和八層高磁導率的坡莫合金材料（磁屏蔽層）構成的，利用特殊材料和特有形狀（近似于球形）實現了對地磁場的“靜態”屏蔽，不用通電，就能達到完全的屏蔽效果。當磁力線“遭遇”高導磁合金時會產生折射現象，從而改變“前進”方向，順著導磁層面“流走”。導磁合金圍成的近球狀封閉空間將磁力線“拒之門外”，從而達到屏蔽地磁場，形成“零磁場”空間的效果?！傲愦趴臻g”的內部剩余磁場小于20 nT，不到正常地磁場強度的萬分之五。

作用用途

磁力儀檢測、標定和驗收

利用弱磁感應強度檢定系統可對各類地磁場和弱磁測量儀器或傳感器進行檢測、標定和驗收。檢測和標定過的儀器包括地震局系統的各類地磁儀、航天部門的衛星磁強計、高溫超導量子干涉儀、大地電磁測深儀、電磁波儀等。

據不完全統計（2004年至今），共檢測標定各類磁力儀390套，大致分為以下三類：為地震局系統檢測標定各類地磁儀器125套；為航天、軍工部門標定衛星磁力儀78套，大多數已搭載人造衛星上天；為大學、研究所及民營企業標定儀器187套。

巖石電磁實驗

在“零磁空間”開展巖石受壓變形破裂實驗，同時監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象規律及其內在的物理機理。

人體磁場監測和醫學實驗

即在“零磁場”環境中開展監測人體磁場變化，如腦磁、心磁、胃磁、經絡磁場等，及與醫學磁法診療相關的實驗。合作單位有北京大學物理學院、北大醫院、中科院物理所、中日友好醫院、北京市第六醫院、北京協和醫院耳鼻喉科、301醫院耳鼻喉科等。合作開展的實驗項目包括《心磁圖儀及心磁圖的研究》（利用高溫超導進行人體心磁的測量）、動物（兔子）心磁實驗、《針磁治療前后生物磁變化》、聲誘發腦磁反應的實驗等。作為測試樣本，數百位正常人和患者在“零磁空間”接受過心磁測量實驗。

生物磁學對比實驗

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

“零磁空間”有過很多實驗故事：種麥子、育花、養鸚鵡、老鼠下崽、烏龜冬眠、兔子手術等。

參觀訪問

每年吸引和接待大專院校學生、中學生、國內外科技工作者、社會公眾等數百人次到實驗室參觀訪問，26年來累計接待數千人次到訪。

巖石自膨脹破裂和巖石壓裂實驗

人體心磁實驗

動物心磁實驗

針刺磁效應研究

經過“零磁空間”處理的小麥種子明顯延遲發芽，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，出現毛色白化現象，且體質變弱，繁殖力下降，壽命縮短

國際核查會議與會代表參觀

·科普詩·

零磁的奧秘

河北省文安地震臺 盧法林

中國地震局地球物理研究所 王紅強

地球磁場深部來，無處不有時刻在。

保護人類電離層，地磁導航天路開。

天宮零磁好環境，科學研究顯妙用。

天階路險難企及，人造天宮攬勝景。

零磁空間磁真空，歷時八年來完成。

導磁合金蔽磁線，國際先進留美名。

零磁空間磁真空，弱磁稱量有妙用。

地磁儀器上百種，感應系統來檢定。

零磁空間磁真空，預測研究有專攻。

巖石受壓易變形，異常信號各不同。

零磁空間磁真空，人體磁學有應用。

腦磁心磁經絡磁，低磁環境顯神通。

零磁空間磁真空，生物磁學趣無窮。

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。