核磁共振技術(shù)檢測钚復(fù)合構(gòu)件

茍振志，何彬，趙尚文，鐘依祿，李俊，喻鳳梅

（1.第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025；2.96421部隊(duì)，陜西寶雞721012；3.第二炮兵裝備研究院，北京100085）

核磁共振技術(shù)檢測钚復(fù)合構(gòu)件

茍振志1，2，何彬1，趙尚文2，鐘依祿2，李俊3，喻鳳梅1

（1.第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025；2.96421部隊(duì)，陜西寶雞721012；3.第二炮兵裝備研究院，北京100085）

該文仿真計(jì)算在不同外磁感應(yīng)強(qiáng)度下，鋼鈹钚復(fù)合構(gòu)件各球殼靜磁場分布及缺陷樣品磁場分布情況。結(jié)果表明：不同的磁場強(qiáng)度和磁導(dǎo)率對(duì)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的磁場分布不一樣，總的來說，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁導(dǎo)率越小，則各球殼層磁場強(qiáng)度越大。外磁場能夠深入钚復(fù)合構(gòu)件多層結(jié)構(gòu)且保持一定強(qiáng)度和均勻性，滿足聲-核磁共振無損檢測系統(tǒng)的要求。最后對(duì)無缺陷和有缺陷的樣品進(jìn)行磁場分布模擬，對(duì)比結(jié)果表明：钚復(fù)合構(gòu)件中氣泡、裂紋等缺陷可通過探測磁場分布進(jìn)行定性判斷，為下一步聲核磁共振檢測技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

核磁共振；钚復(fù)合構(gòu)件；磁通測量；仿真計(jì)算

本文提出核磁共振[5-8]、超聲和超導(dǎo)量子干涉器件（superconducting quantum interference device， SQUID）相結(jié)合，通過超聲和核自旋的耦合作用建立一種基于聲-核磁共振的钚復(fù)合構(gòu)件無損檢測新方法。

這種方法的總體思想是：首先將钚復(fù)合構(gòu)件置于高強(qiáng)度外磁場中，因塞曼效應(yīng)[9-10]引起磁性核的自旋能級(jí)分裂，再用滿足一定條件的超聲能量激發(fā)自旋核能級(jí)共振躍遷，最后利用SQUID對(duì)磁通的高度敏感性測定該超聲-核磁共振信號(hào)。

本文擬通過數(shù)值仿真研究钚復(fù)合構(gòu)件的核磁共振特性，為钚構(gòu)件的聲核磁共振研究提供理論基礎(chǔ)。

1 钚復(fù)合構(gòu)件模型參數(shù)

1）各殼層厚度：設(shè)各層為均勻球體，最外層不銹鋼層厚度為3mm，中間鈹層厚度3mm，最內(nèi)層钚層3mm。

2）各殼層半徑：Φ130-133-136-139mm。

3）表面光潔度：設(shè)為理想情況。

4）粘接情況：考慮完全密結(jié)，未考慮粘接情況及粘接劑性質(zhì)。

5）各層簡稱：為了表述方便，稱不銹鋼層為3#材料，鈹層為2#材料，钚層為1#材料。

6）電磁參數(shù)及聲學(xué)參數(shù)：分別如表1、表2所示。

表1 電磁參數(shù)

表2 聲學(xué)參數(shù)

傳播速度由模型的實(shí)際情況選用理論公式計(jì)算得出。

縱波在固體中的聲速：

薄板中：

無限介質(zhì)中：

橫波在固體中的聲速：

無限介質(zhì)中：

式中：Gl——聲速；

E——楊氏模量；

ρ——密度；

G——剪切模量；

σ——泊松比；

K——體積模量。

2 钚復(fù)合構(gòu)件殼層中靜磁場的分布

2.1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 钚復(fù)合構(gòu)件計(jì)算模型

2.2 不銹鋼磁導(dǎo)率及靜磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)钚復(fù)合構(gòu)件磁強(qiáng)分布的影響

數(shù)值計(jì)算過程中的最外層不銹鋼殼層并不嚴(yán)格限于單一性質(zhì)參數(shù)，而是在可能的范圍給出了一系列值進(jìn)行計(jì)算，這能夠?yàn)槁?核磁共振軍控核查屬性測量提供參考；靜磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度取值范圍為1～15T，數(shù)值計(jì)算中的磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁共振波譜研究的實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度范圍內(nèi)。

2.2.1 不銹鋼球殼為低磁導(dǎo)率奧氏體不銹鋼

算例1：外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T時(shí)，1#（μr=1+ 2.853-5），2#（μr=1-1.257-5），3#（奧氏體μr=1.8），各層完全密接條件。

從圖2（a）可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T時(shí)，不銹鋼層球殼在赤道周圍磁場強(qiáng)度最大，磁場強(qiáng)度分布以赤道對(duì)稱。

從圖2（b）可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T時(shí)，鈹層除了極點(diǎn)附近磁場強(qiáng)度稍弱外，磁場強(qiáng)度分布非常均勻。

從圖2（c）可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T時(shí)，钚層除了極點(diǎn)附近磁場強(qiáng)度稍弱外，磁場強(qiáng)度分布非常均勻。

可見在不銹鋼殼層為低磁導(dǎo)率的情形下，钚復(fù)合構(gòu)件最內(nèi)層钚材料和中間層鈹材料的磁場分布基本一致，磁場分布主要受不銹鋼層影響。

算例2：外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10T時(shí)，1#（μr=1+ 2.853-5），2#（μr=1-1.257-5），3#（奧氏體μr=1.8），各層完全密接條件。

從圖3（a）可以看出，磁場強(qiáng)度以赤道面呈對(duì)稱狀分布，說明增加磁場強(qiáng)度，外層金屬殼體磁場分布仍然呈現(xiàn)明顯的規(guī)律分布特征。

從圖3（b）可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度為10T時(shí)，磁場分布較圖2（b）來說不太均勻，說明單純增加磁感應(yīng)強(qiáng)度，鈹層磁場強(qiáng)度分布會(huì)呈現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象。

從圖3（c）可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度為10T時(shí)，钚層外殼磁場強(qiáng)度分布和鈹層基本相同。比較圖2（c）和圖3（c）可以得出，單純增加磁感應(yīng)強(qiáng)度，最內(nèi)層的钚層磁場強(qiáng)度分布也會(huì)呈現(xiàn)分布不規(guī)則的特點(diǎn)。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度為1T，不銹鋼μr=1.8時(shí)不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強(qiáng)度分布

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度為10T，不銹鋼μr=1.8時(shí)不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強(qiáng)度分布

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度為15T，不銹鋼μr=100時(shí)不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強(qiáng)度分布

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度為15T，不銹鋼μr=2000時(shí)不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強(qiáng)度分布

2.2.2 不銹鋼球殼為高磁導(dǎo)率不銹鋼

在軍控核查和防擴(kuò)散中需探測對(duì)密封在高磁導(dǎo)率容器中的敏感材料，這里用兩種能產(chǎn)生磁屏蔽的高磁導(dǎo)率外殼為例，計(jì)算其磁場分布。

算例1：外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為15T時(shí)，1#（μr= 1+2.853-5），2#（μr=1-1.257-5），3#不銹鋼（μr=100），各層完全密接條件。

從圖4（a）可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為15 T，3#μr=100時(shí)，磁場強(qiáng)度分布較圖1（a）和圖2（a）分散，說明增加磁導(dǎo)率，不銹鋼層的磁場強(qiáng)度分布會(huì)變得不規(guī)則。

從圖4（b）可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為15T，整個(gè)鈹層磁場強(qiáng)度分布較均勻，磁場強(qiáng)度也較圖1（b）和圖2（b）強(qiáng)。

從圖4（c）可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為15T，钚層較圖1（c）和圖2（c）分布呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則性，說明增加磁感應(yīng)強(qiáng)度和改變外層磁導(dǎo)率會(huì)影響內(nèi)層金屬的磁場強(qiáng)度分布。

算例2：外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為15T時(shí)，1#（μr= 1+2.853-5），2#（μr=1-1.257-5），3#不銹鋼磁導(dǎo)率非常大（μr=2000），各層完全密接條件。

從圖5（a）可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度高磁導(dǎo)率條件下，不銹鋼外殼層赤道附近的磁場強(qiáng)度和兩極附近的磁場強(qiáng)度有1個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，磁場分布較圖4（a）沒有大的改變，故單純增加外層不銹鋼的磁導(dǎo)率對(duì)外層殼體影響不明顯。

從圖5（b）可以看出，在外層殼體處于高磁導(dǎo)率時(shí)，鈹層赤道附近和兩極附近磁場強(qiáng)度處于同一量級(jí)，且分布比較均勻，磁場強(qiáng)度明顯降低。

從圖5（c）可以看出，在外層高磁導(dǎo)條件下，最里層的钚層還是獲得了比較均勻的磁場強(qiáng)度。同時(shí)比較圖4（c）可以看出，高磁導(dǎo)率情況下最里層的金屬磁場強(qiáng)度降低。

3 缺陷樣品的磁場仿真特性研究

考慮钚復(fù)合構(gòu)件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，仿真時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，建立如圖6所示的模型。圖中代表外加靜磁場環(huán)境，它主要是由100mm×100mm×100mm的正方體產(chǎn)生的均勻磁場，仿真時(shí)所取磁場方向?yàn)檠貀軸的正方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.000 05T；圖中a、b分別表示樣品及缺陷的具體形狀和相對(duì)位置，樣品及缺陷的中心坐標(biāo)為（50mm，50mm，50mm），樣品形狀假定為40mm×40mm×40mm的正方體，其材料組成為鋁，缺陷位于樣品中心，也假定為一個(gè)10mm×10mm×10mm的正方體，其內(nèi)部為空氣，即仿真計(jì)算時(shí)假定缺陷是具有一定大小的氣泡。

圖6 缺陷仿真模型示意圖

仿真過程中，根據(jù)模型及計(jì)算簡化等方面的考慮，僅在模型中選取沿磁場方向高度為50mm平面中的一條路徑進(jìn)行仿真，并在該平面的若干仿真路徑中選擇如表3和表4所示的11個(gè)位置處的磁場強(qiáng)度值進(jìn)行計(jì)算，該11個(gè)點(diǎn)僅代表樣品中部分位置的磁場分布情況。事實(shí)上在仿真中選取不同位置點(diǎn)就可以得到更為詳細(xì)的仿真結(jié)果，但是由于文中僅對(duì)該方法進(jìn)行定性說明，就沒有選取所有點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，僅選擇了部分位置進(jìn)行計(jì)算。仿真計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示，其中表3是樣品中沒有缺陷存在磁場強(qiáng)度值，表4是存在缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磁場強(qiáng)度值。

表3 樣品無缺陷時(shí)磁場強(qiáng)度值

表4 樣品有缺陷時(shí)磁場強(qiáng)度值

圖7 樣品有無缺陷時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比圖

根據(jù)磁場基本理論可知，一些材料由于存在缺陷會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生殘余磁場，并且缺陷尺寸越大，產(chǎn)生的殘余磁場越大。對(duì)表3和表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出如圖7所示的結(jié)果。

從圖中可以看出，存在缺陷時(shí)材料內(nèi)部的磁場分布發(fā)生了變化，從曲線變化的趨勢可以大致判斷缺陷位于45～55mm之間，事實(shí)上本文仿真時(shí)缺陷的位置正是設(shè)置在該處，這說明利用該種方法對(duì)材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行定性判斷是可行的。

4 結(jié)束語

外磁場的大小對(duì)于各層球殼上磁場強(qiáng)度分布有很大影響，起主導(dǎo)作用。外磁場強(qiáng)度越大則各球殼層上的感應(yīng)磁場也越大，且內(nèi)層球殼的磁場分布更均勻；最外層不銹鋼球殼的磁導(dǎo)率對(duì)內(nèi)層球體磁場分布影響較大，其相對(duì)磁導(dǎo)率越大則各球殼層上的磁場越小，但相應(yīng)增加外磁場強(qiáng)度后內(nèi)層球體磁場強(qiáng)度也大幅增加；在同一計(jì)算模型及條件下，內(nèi)層球面上的磁場大小和外層球面上的磁場大小差異不大?？偟内厔菔莾?nèi)層球面的磁場小于外層球面上的磁場；在不同的場強(qiáng)和不銹鋼磁導(dǎo)率條件下，鈹層和钚層磁場分布基本相同，即鈹層對(duì)钚復(fù)合構(gòu)件內(nèi)層的場強(qiáng)分布影響不大；外磁場能夠深入钚復(fù)合構(gòu)件的多層結(jié)構(gòu)，且保持相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，滿足聲-核磁共振檢測系統(tǒng)要求。

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Nuclear magnetic resonance technique for detection of plutonium component

GOU Zhenzhi1，2，HE Bin1，ZHAO Shangwen2，ZHONG Yilu2，LI Jun3，YU Fengmei1
（1.Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China；2.Troops No.96421，Baoji 721012，China；3.The Second Artillery Equipment Research Institute，Beijing 100085，China）

In this paper，the simulation calculation is used to test the magnetic field fall under the shell layers of the steel-beryllium-plutonium composite balloon subassembly and the distribution of the magnetic field in the objection sample in different magnetic strength fields.The result shows that the magnetic field strength and permeability are different for complex metal structure of the magnetic field-distribution.In general，the larger the magnetic induction intensity is，the smaller the ball shell permeability，the greater the magnetic field strength.the best measure effect in the experiment was obtained when the magnetic field strength of 10T was operated.The results of comparing the simulation results of magnetic field distribution of defects in the sample with the experiment results shows that the researching cracks and other defects is feasible through the magnetic field component in the bubbles.

nuclear magnetic resonance；plutonium components；flux measure；simulation calculation

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）08-0113-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.026

0 引言

在多種因素的復(fù)合作用下，钚復(fù)合構(gòu)件[1]會(huì)出現(xiàn)不同材料層的脫粘與滲透、內(nèi)部钚材料氧化等現(xiàn)象。钚復(fù)合構(gòu)件的密封結(jié)構(gòu)、材料特性及細(xì)微變化都會(huì)給常規(guī)檢測造成困難[2]，如傳統(tǒng)的射頻電磁波無法穿透钚復(fù)合構(gòu)件的多層結(jié)構(gòu)到達(dá)內(nèi)層[3-4]。

2014-10-11；

2014-11-28

國家自然科學(xué)基金（51271198，A040103）

茍振志（1978-），男，四川通江縣人，工程師，博士，主要從事無損探傷及狀態(tài)監(jiān)測研究。