Кратко по принципам и по частотным диапазонам.
1) Принципы для электрических полей (E)
- Механизм: проводящая оболочка перераспределяет заряды и задаёт нулевой внутренний электрический потенциал (эффект Фарадея). Для переменных полей дополнительно действует скин‑эффект (токи витка экранируют поле).
- Эффективные методы:
- Фарадеевы клетки (сплошной металлический экран или сетка с ячейку << длина волны).
- Коаксиальные экраны для кабелей, фильтры на вводах (feed‑through), экранированные разъёмы.
- Внутренние поглотители (РФ‑поглотительные панели) для уменьшения внутри отражений на ВЧ.
- Частотные диапазоны:
- Статические и низкие частоты ($f\approx 0$ до $\sim 10^3\text{Hz}$): металлический экран эффективен для электрических статических/низкочастотных полей (провод перераспределяет заряды). Для сеток важно, чтобы отверстия были малы относительно размеров прибора и поляризации поля.
- ВЧ/СВЧ ($f\gtrsim 10^6\text{Hz}$): классическая Фарадеева клетка, скин‑эффект делает тонкие металлические листы эффективными; контролировать зазоры/швы и проницаемость отверстий (волновой канал с отсечкой по ширине).
2) Принципы для магнитных полей (B)
- Механизмы:
- Высокая магнитная проницаемость ($\mu \gg {\mu }_0$) направляет магнитный поток через материал (пассивное «замыкание» потока) — материалы типа mu‑metal, Permalloy. Эффективно для низких частот и статического поля.
- Экранирование токами (эдди‑токи) в хороших проводниках: для переменных полей высоких частот вихревые токи создают противоположное поле. Зависит от скин‑глубины $\delta$.
- Сверхпроводники (эффект Мейсснера) полностью выталкивают магнитное поле (очень эффективны для постоянных/медленных полей, но требуют криогении).
- Активная компенсация: датчики + управляющие катушки создают противофазное поле.
- Ключевая формула (скин‑глубина):
$$\delta =\sqrt{\frac{2}{\omega \mu \sigma }},\omega =2\pi f,$$ где $\sigma$ — проводимость, $\mu$ — магнитная проницаемость.
- Частотные диапазоны и методы:
- Очень низкие/постоянные поля ($f\approx 0$ до $\sim 1\text{Hz}$ — десятки Hz): пассивные металлы не дают сильного эффекта через эдди‑токи; эффективны многослойные экраны из материалов с высокой $\mu$ (mu‑metal, permalloy). Для полного подавления на уровне нТ/пТ часто применяют комбинирование: внешние слои — высокопроницаемые, внутренние — сверхпроводящий экран (если возможна криогения) + активная компенсация.
- Низкая и средняя частота ($\sim 1\text{Hz}$ до $\sim 10^3\text{Hz}$): высокопроницаемые многослойные экраны дают большую ослабляющую способность (каждый слой умножает ослабление); активная компенсация эффективна для динамических полей внутри этой полосы.
- Высокие частоты ($f\gtrsim 10^3\text{Hz}$ — кГц и выше): эдди‑токи в толстых проводящих оболочках (медь, алюминий) становятся эффективными, т.к. $\delta$ мал. Комбинация: внешняя медная/алюминиевая оболочка для ВЧ (эдди‑токи) + внутренняя mu‑metal для низких частот. Для СВЧ — Фарадеевы клетки/волновые заградители и поглотители.
- Практические числа (приблизительно):
- Mu‑metal слой толщиной $\sim 0.5\text{–}3\text{mm}$ в многослойной сборке даёт ослабление поля на уровне $10^2\text{–}10^4$ на слой (зависит от формы, зазоров и обработки).
- Сверхпроводящий экран даёт практически полное подавление в рабочих условиях (внутри экрана B≈0, если нет проникающих магнитных шнуров), но требует криоусловий.
- Активная компенсация обычно работает до полосы порядка $\sim 10^2\text{–}10^4\text{Hz}$ (зависит от датчика и усилителя).
3) Практические рекомендации
- Сочетайте методы: внешняя проводящая оболочка (РФ/ВЧ), внутренние высокопроницаемые слои (низкие частоты), активная компенсация для динамических возмущений; для ультранизких требований — добавить сверхпроводящий экран.
- Уменьшите щели/шумы: плотные швы, фильтрация вводов, экранированные кабели с заземлением, избегайте замкнутых контуров проводников вокруг прибора (искажают поля).
- Термомеханическая обработка mu‑metal: после формовки требуется отжиг (annealing) для восстановления высокой $\mu$; механические деформации снижают эффективность.
- Измеряйте: оцените спектр помех (спектральная плотность в Hz) и подбирайте сочетание пассивного/активного экранирования под нужные полосы.
4) Примеры выбора по применению
- Для чувствительного магнитометра (SQUID/оптический магнетометр): многослойный mu‑metal + активная компенсация; при требовании пТ/пТ/√Hz — внутренний сверхпроводник + активная компенсация.
- Для приёмника РЧ: сплошной экран/фарадеева клетка, фильтрация вводов, волновые заградители и поглотители для снижения резонансов.
Если нужно — могу дать расчёт толщины слоя/числа слоёв для заданного требования ослабления и частотного диапазона, или привести конкретные материалы и типы датчиков/катушек.