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(cè)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(chǎng)分布及缺陷樣品磁場(chǎng)分布情況。結(jié)果表明：不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率對(duì)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分布不一樣，總的來(lái)說(shuō)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，磁導(dǎo)率越小，則各球殼層磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。外磁場(chǎng)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(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的要求。最后對(duì)無(wú)缺陷和有缺陷的樣品進(jìn)行磁場(chǎng)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(guò)探測(cè)磁場(chǎng)分布進(jìn)行定性判斷，為下一步聲核磁共振檢測(cè)技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

核磁共振；钚復(fù)合構(gòu)件；磁通測(cè)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(guò)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(wú)損檢測(cè)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(chǎng)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(cè)定該超聲-核磁共振信號(hào)。

本文擬通過(guò)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(jiǎn)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(wú)限介質(zhì)中：

橫波在固體中的聲速：

無(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(cè)量提供參考；靜磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度最大，磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度稍弱外，磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度稍弱外，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布非常均勻。

可見(jiàn)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(chǎng)分布基本一致，磁場(chǎng)分布主要受不銹鋼層影響。

算例2：外磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度以赤道面呈對(duì)稱狀分布，說(shuō)明增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，外層金屬殼體磁場(chǎng)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(chǎng)分布較圖2（b）來(lái)說(shuō)不太均勻，說(shuō)明單純?cè)黾哟鸥袘?yīng)強(qiáng)度，鈹層磁場(chǎng)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(chǎng)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?cè)黾哟鸥袘?yīng)強(qiáng)度，最內(nèi)層的钚層磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)分布。

算例1：外磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度分布較圖1（a）和圖2（a）分散，說(shuō)明增加磁導(dǎo)率，不銹鋼層的磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度分布較均勻，磁場(chǎng)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(shuō)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(chǎng)強(qiáng)度分布。

算例2：外磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度和兩極附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度有1個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，磁場(chǎng)分布較圖4（a）沒(méi)有大的改變，故單純?cè)黾油鈱硬讳P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(chǎng)強(qiáng)度處于同一量級(jí)，且分布比較均勻，磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度降低。

3 缺陷樣品的磁場(chǎng)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(jiǎn)化處理，建立如圖6所示的模型。圖中代表外加靜磁場(chǎng)環(huán)境，它主要是由100mm×100mm×100mm的正方體產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)，仿真時(shí)所取磁場(chǎng)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(guò)程中，根據(jù)模型及計(jì)算簡(jiǎn)化等方面的考慮，僅在模型中選取沿磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(shuō)明，就沒(méi)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(méi)有缺陷存在磁場(chǎng)強(qiáng)度值，表4是存在缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值。

表3 樣品無(wú)缺陷時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度值

表4 樣品有缺陷時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度值

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

根據(jù)磁場(chǎng)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(chǎng)，并且缺陷尺寸越大，產(chǎn)生的殘余磁場(chǎng)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(chǎng)分布發(fā)生了變化，從曲線變化的趨勢(shì)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(shuō)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(yǔ)

外磁場(chǎng)的大小對(duì)于各層球殼上磁場(chǎng)強(qiáng)度分布有很大影響，起主導(dǎo)作用。外磁場(chǎng)強(qiáng)度越大則各球殼層上的感應(yīng)磁場(chǎng)也越大，且內(nèi)層球殼的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)越小，但相應(yīng)增加外磁場(chǎng)強(qiáng)度后內(nèi)層球體磁場(chǎng)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(chǎng)大小和外層球面上的磁場(chǎng)大小差異不大。總的趨勢(shì)是內(nèi)層球面的磁場(chǎng)小于外層球面上的磁場(chǎng)；在不同的場(chǎng)強(qiáng)和不銹鋼磁導(dǎo)率條件下，鈹層和钚層磁場(chǎng)分布基本相同，即鈹層對(duì)钚復(fù)合構(gòu)件內(nèi)層的場(chǎng)強(qiáng)分布影響不大；外磁場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)要求。

[1]茍振志，何彬，喻鳳梅，等.鉛組件模擬钚組件氧化腐蝕性研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，36（1）：5-10.

[2]钚冶金[M].北京：中國(guó)科學(xué)院原子核科學(xué)委員會(huì)編輯委員會(huì)，1967：57-69.

[3]強(qiáng)亦忠.常用核輻射數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：原子能出版社，1990：113-125.

[4]杜祥琬.核軍備控制的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996：72-79.

[5]李彬.軍備控制理論與分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：60-89.

[6]Proctor W G，Tantilla W H.Influence of ultrasonic energy on the relaxation of chlorine nuclei in sodium chlorate[J].Phys Rev，1956（101）：1757-1763.

[7]Bolef D I，Menes M.Nuclear magnetic resonance acoustic absorption in KI and KBr[J].Phys Rev，1959（114）：1441-1451.

[8]Menes D I.Bolef observation of nuclear resonance acoustic absorption of In115 in InSb[J].Phys Rev，1958（109）：218-219.

[9]Bolef D I.Acoustic techniques in magnetic resonance[J]. Science，1962（136）：359-369.

[10]Gregory E H，Bommel H E.Acoustic excitation of nuclear spin resonance in single crystalline tantalum[J]. Phys Rev Lett，1965（15）：404-406.

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(cè)造成困難[2]，如傳統(tǒng)的射頻電磁波無(wú)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(guó)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(wú)損探傷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究。