核磁共振技術檢測钚復合構件

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，陜西西安710025；2.96421部隊，陜西寶雞721012；3.第二炮兵裝備研究院，北京100085）

核磁共振技術檢測钚復合構件

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，陜西西安710025；2.96421部隊，陜西寶雞721012；3.第二炮兵裝備研究院，北京100085）

該文仿真計算在不同外磁感應強度下，鋼鈹钚復合構件各球殼靜磁場分布及缺陷樣品磁場分布情況。結果表明：不同的磁場強度和磁導率對復雜金屬結構的磁場分布不一樣，總的來說，磁感應強度越大，磁導率越小，則各球殼層磁場強度越大。外磁場能夠深入钚復合構件多層結構且保持一定強度和均勻性，滿足聲-核磁共振無損檢測系統的要求。最后對無缺陷和有缺陷的樣品進行磁場分布模擬，對比結果表明：钚復合構件中氣泡、裂紋等缺陷可通過探測磁場分布進行定性判斷，為下一步聲核磁共振檢測技術奠定理論基礎。

核磁共振；钚復合構件；磁通測量；仿真計算

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

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

本文擬通過數值仿真研究钚復合構件的核磁共振特性，為钚構件的聲核磁共振研究提供理論基礎。

1 钚復合構件模型參數

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

2）各殼層半徑：Φ130-133-136-139mm。

3）表面光潔度：設為理想情況。

4）粘接情況：考慮完全密結，未考慮粘接情況及粘接劑性質。

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）電磁參數及聲學參數：分別如表1、表2所示。

表1 電磁參數

表2 聲學參數

傳播速度由模型的實際情況選用理論公式計算得出。

縱波在固體中的聲速：

薄板中：

無限介質中：

橫波在固體中的聲速：

無限介質中：

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 钚復合構件殼層中靜磁場的分布

2.1 計算模型的建立

計算模型如圖1所示。

圖1 钚復合構件計算模型

2.2 不銹鋼磁導率及靜磁場磁感應強度對钚復合構件磁強分布的影響

數值計算過程中的最外層不銹鋼殼層并不嚴格限于單一性質參數，而是在可能的范圍給出了一系列值進行計算，這能夠為聲-核磁共振軍控核查屬性測量提供參考；靜磁場的磁感應強度取值范圍為1～15T，數值計算中的磁感應強度在磁共振波譜研究的實驗室強度范圍內。

2.2.1 不銹鋼球殼為低磁導率奧氏體不銹鋼

算例1：外磁場的磁感應強度為1T時，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，磁感應強度為1T時，不銹鋼層球殼在赤道周圍磁場強度最大，磁場強度分布以赤道對稱。

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

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

可見在不銹鋼殼層為低磁導率的情形下，钚復合構件最內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：外磁場的磁感應強度為10T時，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，磁場強度以赤道面呈對稱狀分布，說明增加磁場強度，外層金屬殼體磁場分布仍然呈現明顯的規律分布特征。

從圖3（b）可以看出，磁感應強度為10T時，磁場分布較圖2（b）來說不太均勻，說明單純增加磁感應強度，鈹層磁場強度分布會呈現分布不均的現象。

從圖3（c）可以看出，磁感應強度為10T時，钚層外殼磁場強度分布和鈹層基本相同。比較圖2（c）和圖3（c）可以得出，單純增加磁感應強度，最內層的钚層磁場強度分布也會呈現分布不規則的特點。

圖2 磁感應強度為1T，不銹鋼μr=1.8時不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強度分布

圖3 磁感應強度為10T，不銹鋼μr=1.8時不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強度分布

圖4 磁感應強度為15T，不銹鋼μr=100時不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強度分布

圖5 磁感應強度為15T，不銹鋼μr=2000時不銹鋼層、鈹層、钚層磁場強度分布

2.2.2 不銹鋼球殼為高磁導率不銹鋼

在軍控核查和防擴散中需探測對密封在高磁導率容器中的敏感材料，這里用兩種能產生磁屏蔽的高磁導率外殼為例，計算其磁場分布。

算例1：外磁場的磁感應強度為15T時，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，當磁感應強度為15 T，3#μr=100時，磁場強度分布較圖1（a）和圖2（a）分散，說明增加磁導率，不銹鋼層的磁場強度分布會變得不規則。

從圖4（b）可以看出，當磁感應強度為15T，整個鈹層磁場強度分布較均勻，磁場強度也較圖1（b）和圖2（b）強。

從圖4（c）可以看出，當磁感應強度為15T，钚層較圖1（c）和圖2（c）分布呈現明顯的不規則性，說明增加磁感應強度和改變外層磁導率會影響內層金屬的磁場強度分布。

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

從圖5（a）可以看出，在磁感應強度高磁導率條件下，不銹鋼外殼層赤道附近的磁場強度和兩極附近的磁場強度有1個數量級的差別，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率對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率時，鈹層赤道附近和兩極附近磁場強度處于同一量級，且分布比較均勻，磁場強度明顯降低。

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

3 缺陷樣品的磁場仿真特性研究

考慮钚復合構件結構的復雜性，仿真時對模型進行簡化處理，建立如圖6所示的模型。圖中代表外加靜磁場環境，它主要是由100mm×100mm×100mm的正方體產生的均勻磁場，仿真時所取磁場方向為沿y軸的正方向，磁感應強度為1.000 05T；圖中a、b分別表示樣品及缺陷的具體形狀和相對位置，樣品及缺陷的中心坐標為（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10mm×10mm×10mm的正方體，其內部為空氣，即仿真計算時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，根據模型及計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個位置處的磁場強度值進行計算，該11個點僅代表樣品中部分位置的磁場分布情況。事實上在仿真中選取不同位置點就可以得到更為詳細的仿真結果，但是由于文中僅對該方法進行定性說明，就沒有選取所有點進行計算，僅選擇了部分位置進行計算。仿真計算結果如表3和表4所示，其中表3是樣品中沒有缺陷存在磁場強度值，表4是存在缺陷時對應點的磁場強度值。

表3 樣品無缺陷時磁場強度值

表4 樣品有缺陷時磁場強度值

圖7 樣品有無缺陷時磁感應強度對比圖

根據磁場基本理論可知，一些材料由于存在缺陷會在其內部產生殘余磁場，并且缺陷尺寸越大，產生的殘余磁場越大。對表3和表4中的數據進行分析可以得出如圖7所示的結果。

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

4 結束語

外磁場的大小對于各層球殼上磁場強度分布有很大影響，起主導作用。外磁場強度越大則各球殼層上的感應磁場也越大，且內層球殼的磁場分布更均勻；最外層不銹鋼球殼的磁導率對內層球體磁場分布影響較大，其相對磁導率越大則各球殼層上的磁場越小，但相應增加外磁場強度后內層球體磁場強度也大幅增加；在同一計算模型及條件下，內層球面上的磁場大小和外層球面上的磁場大小差異不大。總的趨勢是內層球面的磁場小于外層球面上的磁場；在不同的場強和不銹鋼磁導率條件下，鈹層和钚層磁場分布基本相同，即鈹層對钚復合構件內層的場強分布影響不大；外磁場能夠深入钚復合構件的多層結構，且保持相當的強度，滿足聲-核磁共振檢測系統要求。

[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].無損檢測，2014，36（1）：5-10.

[2]钚冶金[M].北京：中國科學院原子核科學委員會編輯委員會，1967：57-69.

[3]強亦忠.常用核輻射數據手冊[M].北京：原子能出版社，1990：113-125.

[4]杜祥琬.核軍備控制的科學技術基礎[M].北京：國防工業出版社，1996：72-79.

[5]李彬.軍備控制理論與分析[M].北京：國防工業出版社，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：1674-5124（2015）08-0113-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.026

0 引言

在多種因素的復合作用下，钚復合構件[1]會出現不同材料層的脫粘與滲透、內部钚材料氧化等現象。钚復合構件的密封結構、材料特性及細微變化都會給常規檢測造成困難[2]，如傳統的射頻電磁波無法穿透钚復合構件的多層結構到達內層[3-4]。

2014-10-11；

2014-11-28

國家自然科學基金（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監測研究。