用于瞬態(tài)電磁測試的脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)的研究

嚴來軍，高椿明，陳 霄，周 鷹，錢美興

(1. 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054；2. 中國人民解放軍63610部隊 新疆 庫爾勒 841001)

用于瞬態(tài)電磁測試的脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)的研究

嚴來軍1，高椿明1，陳 霄1，周 鷹1，錢美興2

(1. 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054；2. 中國人民解放軍63610部隊 新疆 庫爾勒 841001)

脈沖磁場作為一種優(yōu)秀的激勵源，可應(yīng)用于許多材料性質(zhì)的無損檢測技術(shù)中，以提供瞬態(tài)電磁測試條件。在國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目中，為了測試實驗包層模塊(TBM)材料的瞬態(tài)電磁性能，需要設(shè)計研制上升時間約為3 ms，磁感應(yīng)強度可達0.8 T的脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)。首先，理論分析了脈沖磁場產(chǎn)生的原理，依據(jù)實驗設(shè)備條件確定了系統(tǒng)各個參數(shù)，使系統(tǒng)能達到該測試項目的要求。其次，搭建了脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)，包括充放電電路、螺線管、工控系統(tǒng)、磁場測試系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。最后，對脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)進行了測試，并分析了影響系統(tǒng)的因素。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖磁場，能夠滿足瞬態(tài)電磁測試項目的需要。

誤差分析; 無損檢測; 脈沖磁場; 瞬態(tài)電磁測試

脈沖磁場相比于穩(wěn)態(tài)磁場，其磁場峰值更高，能夠滿足絕大部分科學(xué)研究的需要，因而得到各國科學(xué)家的廣泛重視[1]。脈沖磁場能提供瞬態(tài)電磁測試條件，其作為一種優(yōu)秀的激勵源，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬以及生物材料性質(zhì)的無損檢測中[2-12]。而在國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目中，包層材料瞬態(tài)電磁性能的仿真測試及實驗測試尤為重要，關(guān)乎項目的安全；涉及實驗包層模塊(TBM)材料的瞬態(tài)電磁性能模擬仿真[13-16]和實驗室測試項目，需要一個上升時間約為3 ms，磁感應(yīng)強度可達0.8 T的脈沖磁場。而目前的脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)是超強磁場或小微磁場[17]，不適用于該測試項目。因此，本文脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)的研究，首先能滿足該瞬態(tài)電磁測試項目的需要，其次還能擴展其他基于脈沖磁場的無損檢測技術(shù)在較強磁場強度下的應(yīng)用。

1 脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)平臺如圖1所示，包括電源控制系統(tǒng)、磁場產(chǎn)生裝置、磁場測試系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)。為了保證在強電環(huán)境下控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，電源控制系統(tǒng)采用抗干擾能力強，可靠性高的西門子可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，配以西門子的工控機作為控制系統(tǒng)的上位機。電源控制系統(tǒng)控制充電和放電過程，在放電的過程中，磁場產(chǎn)生裝置會產(chǎn)生瞬態(tài)電磁環(huán)境。

通過磁場測試系統(tǒng)測量所產(chǎn)生的脈沖磁場，由數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)采集并做處理。為減少高壓電離和周圍環(huán)境的影響，整個磁場產(chǎn)生裝置放置于真空腔中，由真空系統(tǒng)控制。

2 產(chǎn)生磁場原理分析及參數(shù)設(shè)計

磁場產(chǎn)生裝置主要是螺線管，放電過程中，螺線管內(nèi)電流急劇變化，從而導(dǎo)致脈沖磁場的產(chǎn)生。螺線管如圖2所示，為多層線圈。

在中軸線P(0,0,z)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為：

式中，R1為螺線管內(nèi)徑；R2為螺線管外徑；r=(R1+R2)/2；2b為螺線管長度；N為線圈總匝數(shù)；μ0=4π×10?7N/A2為真空磁導(dǎo)率；I(t)為通過螺線管的電流。

當(dāng)z=0，即螺線管中心處，得最大磁場為：

式中，I(t)由RLC放電回路決定，有：

式中，U為電容初始放電電壓；L為電感值；R為電阻值；C為電容值。

為使最大磁場強度能達到0.8 T，上升時間約為3 ms，結(jié)合現(xiàn)有實驗條件和元件參數(shù)，設(shè)計的各個參數(shù)為螺線管內(nèi)徑R1=5 cm，外徑R2=14 cm，螺線管長度2b=40 cm，總匝數(shù)N=142，電感L=1.37 mH，電容C=4 400 μF，電阻R=0.5 Ω。按照以上實際參數(shù)，理論上螺線管中心處磁場為：

按照式(4)，當(dāng)初始放電電壓達到2 000 V，在t=3.04 ms時，螺線管中心處磁場可達最大0.821 7 T。因此，以上參數(shù)理論上可以使系統(tǒng)達到設(shè)計要求。

3 脈沖磁場測試結(jié)果

實際磁場強度通過磁場測試系統(tǒng)測量得到。采用電磁感應(yīng)法，將感應(yīng)線圈放入螺線管中心處，當(dāng)螺線管中通過瞬間大電流時，感應(yīng)線圈里將會產(chǎn)生大小為ε(t)的感應(yīng)電動勢，則實測螺線管中心處磁場為：

式中，n為感應(yīng)線圈的匝數(shù)；S為感應(yīng)線圈的橫截面積，均為常數(shù)；()tε由示波器實時測定。依據(jù)式(5)可以得到螺線管中心處的磁感應(yīng)強度測量值。

如圖3所示，在放電電壓為2 000 V時，螺線管中心處的磁感應(yīng)強度可達0.816 T，上升時間為3.20 ms。隨著放電電壓的增大，螺線管中心處的脈沖磁場最大磁感應(yīng)強度也在增大，從圖中可看出兩者基本是線性關(guān)系。而比較磁感應(yīng)強度測量值與理論計算值，可看出兩者在磁場上升期比較吻合，但在下降期，理論負脈沖最小值為?0.176 T，實測負脈沖最小值為?0.115 T，有0.061 T的偏差。

4 誤差分析

4.1 續(xù)流回路對系統(tǒng)的影響

由于RLC放電回路的實際參數(shù)滿足欠阻尼條件，電容上的電壓會隨時間而變化，有：

電容上的電壓會在某一時刻改變方向，導(dǎo)致電容在某一時間段承受瞬間的反壓。若初始電壓U為2 000 V，則按照式(6)計算，反向電壓最大能達400 V。雖然電容沒有極性，但如果加在電容上的電壓方向改變，還是會對電容造成一定的傷害，降低電容的使用壽命。為了避免這一情況的出現(xiàn)，實際系統(tǒng)中RLC電路加了一個續(xù)流回路。

如圖4所示，在1 000 V初始電壓下的放電情況，有無續(xù)流回路對測量值的影響。從圖中可以看出，當(dāng)有續(xù)流回路時，測量值的負脈沖最小值為?0.05 T，無續(xù)流回路時為?0.11 T，負脈沖明顯減小。因此，圖3中磁感應(yīng)強度測量值與理論計算值在下降后期出現(xiàn)的差異主要是因為實際系統(tǒng)中續(xù)流回路的影響。續(xù)流回路減小了反向電壓，這就會導(dǎo)致磁場負脈沖強度的減小。

4.2 測量感應(yīng)電動勢所用示波器分辨率對測量值的影響

對電容初始電壓為1 000 V情況下產(chǎn)生的磁感強度進行了3次重復(fù)測量，示波器分辨率分別為50、100、200 mV/格，得到的測量值和理論值如圖5所示。從圖中可以看出，隨著示波器分辨率的降低，測量結(jié)果與理論值的差異依次為0.009、0.012和0.028 T，逐漸增大。所以示波器的分辨率在量程足夠的情況下應(yīng)盡量選高分辨率。

5 結(jié) 論

理論上分析了脈沖磁場產(chǎn)生原理，結(jié)合設(shè)計目標和現(xiàn)有實驗條件及元件參數(shù)，確定了本文系統(tǒng)各項參數(shù)，理論上螺線管中心處的磁感應(yīng)強度最大可達0.8217 T，上升時間為3.04 ms。按照設(shè)計參數(shù)搭建了系統(tǒng)，實際測得螺線管中心處的磁感應(yīng)強度最大可達0.816 T，上升時間為3.20 ms。分析了續(xù)流回路對脈沖磁場的影響，以及示波器分辨率對測量帶來的誤差。結(jié)果表明本文脈沖磁場產(chǎn)生系統(tǒng)能滿足瞬態(tài)電磁測試項目的需要，通過了合作單位的驗收。此外，本文系統(tǒng)還能擴展其他基于脈沖磁場的無損檢測技術(shù)在較強磁場強度下的應(yīng)用。

[1] 彭濤, 辜承林. 脈沖強磁場發(fā)展技術(shù)[J]. 核技術(shù)雜志, 2003, 26(3): 185-188.

PENG Tao, GU Cheng-lin. Technical development of strong pulsed magnet[J]. Nuclear Techniques, 2003, 26(3): 185-188.

[2] 朱明原, 劉聰, 薄偉強, 等. 脈沖磁場下水熱法制備Cr摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體晶體[J]. 物理學(xué)報, 2012, 61(7): 506-510.ZHU Ming-yuan, LIU Cong, BO Wei-qiang, et al. Synthesis of Cr-doped ZnO diluted magnetic semiconductor by hydrothermal method under pulsed magnetic field[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(7): 506-510.

[3] 王世偉, 朱明原, 鐘民, 等. 脈沖磁場對水熱法制備Mn摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體的影響[J]. 物理學(xué)報, 2012, 61(19): 496-502. WANG Shi-wei, ZHU Ming-yuan, ZHONG Min, et al. Effects of pulsed magnetic field on Mn-doped ZnO diluted magnetic semiconductor prepared by hydrothermal method[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(19): 496-502.

[4] 張永杰，華駿山，王恩剛, 等. 脈沖磁場作用于鋼液熔體的電磁場數(shù)值模擬[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2010, 18(5): 639-643. ZHANG Yong-jie, HUA Jun-shan, WANG En-gang, et al. Numerical analysis of electromagnetic field in the molten steel under pulsed magnetic field[J]. Materials Science and Technology, 2010, 18(5): 639-643.

[5] 汪彬, 楊院生, 周吉學(xué), 等. 脈沖磁場對Mg-Gd-Y-Zr合金凝固及力學(xué)性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2009, 38(3): 519-522. WANG Bin, YANG Yuan-sheng, ZHOU Ji-xue, et al. Effect of the pulsed magnetic field on the solidification and mechanical properties of Mg-Gd-Y-Zr alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2009, 38(3): 519-522.

[6] 林凌, 賈方榮, 李剛, 等. 脈沖磁場對神經(jīng)元瞬時外向鉀電流的影響[J]. 光學(xué)精密工程, 2008, 16(9): 1746-1751. LIN Ling, JIA Fang-rong, LI Gang, et al. Effect of pulsating magnetic fields on neuron transient outward potassium channel[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(9): 1746-1751.

[7] 林安利, 賀建, 張躍, 等. 脈沖磁場技術(shù)在高矯頑力稀土永磁測量領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2009, 31(6): 782. LIN An-li, HE Jian, ZHANG Yue, et al. Application of pulsed field technique to magnetic property measurements of rare earth based hard magnetic materials with high coercivity[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31(6): 782.

[8] 許可, 趙玉濤, 陳剛, 等. 脈沖磁場下原位合成(Al2O3+Al3Zr)p/Al復(fù)合材料的微觀組織及力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報, 2007, 17(4): 607-611. XU Ke, ZHAO Yu-tao, CHEN Gang, et al. Microstructure and mechanical properties of (Al2O3+Al3Zr)_p/Al composites in-situ synthesized under pulsed magnetic field[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(4): 607-611.

[9] 高原文, 緱新科, 周又和. 脈沖磁場激勵下鐵磁梁式板動力響應(yīng)特征研究[J]. 振動工程學(xué)報, 2005, 18(3): 314-317. GAO Yuan-wen, GOU Xin-ke, ZHOU You-he. Analysis on dynamic characteristics for ferromagnetic beam-plate under the transverse pulse magnetic fields[J]. Journal of Vibration Engineering, 2005, 18(3): 314-317.

[10] 李暉, 朱忠良, 李霞, 等. 脈沖磁場對應(yīng)激大鼠海馬神經(jīng)干細胞增殖的影響[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2006, 40(10): 1149-1151. LI Hui, ZHU Zhong-liang, LI Xia, et al. Effect of pulsed current magnetic fields on neural stem cell proliferation in hippocampus of stressed rat[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2006, 40(10): 1149-1151.

[11] LU Dong-li, XU Chen. Magnetization switching in a small disk with shape anisotropy[J]. Chinese Physics Letters, 2010, 27(9): 203-206.

[12] WANG Bin, YANG Yuan-sheng, ZHOU Ji-xue, et al. Microstructure refinement of AZ91D alloy solidified with pulsed magnetic field[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(3): 536-540.

[13] 高椿明, 陳志, 馮開明, 等. 中國ITER實驗包層模塊電磁安全分析初步[J]. 核聚變與等離子體物理, 2006, 28(3): 205-209. GAO Chun-ming, CHEN Zhi, FENG Kai-ming, et al. Electromagnetic safety analysis during major disruption[J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2006, 28(3): 205-209

[14] 趙斌興, 高椿明, 劉華東, 等. 基于ANSYS的中國ITER實驗包層電磁分析[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù), 2008, 6(1): 151-154. ZHAO Bin-xing, GAO Chun-ming, LIU Hua-dong, et al. Electromagnetic analysis of test blank module based on ANSYS[J]. Experiment Science & Technology, 2008, 6(1): 151-154.

[15] 陳顏靜, 馮開明, 高椿明, 等. 中國ITER氦冷固態(tài)實驗包層模塊電磁安全分析[J]. 核聚變與等離子體物理, 2008, 28(3): 228-232. CHEN Yan-jing, FENG Kai-ming, GAO Chun-ming, et al. Electromagnetic safety analysis on Chinese ITER HCSB-TBM design[J]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2008, 28(3): 228-232.

[16] 高椿明, 秦臻, 陳顏靜. ITER中國實驗包層在等離子主破裂下的電磁耦合評估[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報, 2013, 42(5): 678-683. GAO Chun-ming, QIN Zhen, CHEN Yan-jing. Electromagnetic coupling evaluations on ITER Chinese TBM under plasma major disruptions[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2013, 42(5): 678-683.

[17] 黃濤, 張信軍, 曾江濤, 等. 小型方波脈沖磁場裝置的研制[J]. 強激光與粒子束, 2012, 24(4): 827-830. HUANG Tao, ZHANG Xin-jun, ZENG Jiang-tao, et al. Design of miniature square-pulsed magnetic field generator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(4): 827-830.

編 輯 漆 蓉

Study of Pulsed Magnetic Field Generation System for Transient Electromagnetic Test

YAN Lai-jun1, GAO Chun-ming1, CHEN Xiao1, ZHOU Ying1, and QIAN Mei-xing2
(1. School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054；
2. The Unit 63610 of Chinese People Liberation Amy Kuerle Xinjiang 841001)

As a good excitation source to generate a transient electromagnetic testing condition, the pulsed magnetic field has been applied in many non-destructive testing techniques for property characteristic of varies materials. In International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) program, to test the transient electromagnetic property of test blanket module (TBM) material, a pulsed magnetic field generation system is needed, whose rise time is about 3 ms and magnetic induction can be up to 0.8 T. In this paper, the mechanism of the pulsed magnetic field generation system is theoretically analyzed. In the experiment, the parameters of the system were set to meet the demands of the test program and a pulsed magnetic field generation system was set up, which included a charge-discharge circuit, a solenoid, an industrial control system, magnetic field test system, a vacuum system, and a data sampling and processing system. The pulsed magnetic field generation system was tested and the factors affected the system were analyzed. The result shows that the system can generate a qualified pulsed magnetic field for the transient electromagnetic test program.

error analysis; non-destructive test; pulsed magnetic field; transient electromagnetic test

O441.4

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.03.024

2014 ? 03 ? 31；

2014 ? 11 ? 13

四川省青年基金人才培養(yǎng)計劃(2011JQ0025)

嚴來軍(1986 ? )，男，博士，主要從事光聲光熱技術(shù)及其在成像和物性檢測方面的研究.