简介概要

高温SQUID磁强计无损检测装置及其在无损检测中的应用研究

来源期刊：稀有金属2000年第4期

论文作者：陈烈陈岚峰吴培钧王俊平古宏伟陈珂袁冠森

关键词：磁强计; 涡流技术; 杜瓦; 无损探测;

摘要：介绍了一种新的高 Tc SQUID无损检测装置和它的应用. SQUID位于金属杜瓦真空夹层中, 既保护了SQUID, 又减小了被测物体与探头之间的距离, 同时提高了系统的分辨率. 本文利用涡流技术和该装置可以探测到板厚为2 mm的无磁多层铝锂合金板中40 mm×4 mm×2 mm的模拟缺陷, 这远远大于常规涡流无损检测的深度.

稀有金属 2000,(04),260-264 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.04.006

高温SQUID磁强计无损检测装置及其在无损检测中的应用研究

陈烈陈珂吴培钧陈岚峰古宏伟袁冠森

中国科学院物理研究所凝聚态物理中心!国家超导实验室,北京100080北京有色金属研究总院超导中心,北京100088河北工业大学应用数理系,天津300130,中国科学院物理研究所凝聚态物理中心!国家超导实验室,北京100080,中国科学院物理研究所凝聚态物理中心!国家超导实验室,北京100080,

摘要：

介绍了一种新的高TcSQUID无损检测装置和它的应用。SQUID位于金属杜瓦真空夹层中 , 既保护了SQUID , 又减小了被测物体与探头之间的距离 , 同时提高了系统的分辨率。本文利用涡流技术和该装置可以探测到板厚为 2mm的无磁多层铝锂合金板中 40mm× 4mm× 2mm的模拟缺陷 , 这远远大于常规涡流无损检测的深度。

关键词：

磁强计;涡流技术;杜瓦;无损探测;

中图分类号： TH878

收稿日期：1999-07-05

Application of High Temperature Superconducting DC SQUID Magnetometer on Nondestructive Testing

Abstract：

A new kind of SQUID NDT apparatus and its application were described. SQUID is positioned in the vacuum between inner and outer skin of metal dewar. This design not only prevents SQUID from vapour and contamination but also reduces the distance between SQUID probe and object while it also improves the resolution of the system. We detected a simulated flaw of 40 mm×4 mm×2 mm in the nonferromagnetic multi layers of Al Li plate with 2 mm in thickness using the apparatus and eddy current technology. The depth is much deeper than the depth detected by conventional eddy current technology.

Keyword：

Magnetometer; Eddy current; Technology; Dewar; Non destructive testing;

Received： 1999-07-05

无损检测 (Nondestructive testing, 简称NDT) 是一种应用范围很广的探测技术, 已有几十年的历史。其工作方式有: 超声探测、 X光探测及涡流检测技术等。该项技术由于对被测物体没有或很少造成损伤, 而被广泛用于管道、桥梁、设备仪器等多种材料的无损探测。超声技术由于声波在弯曲界面、内部边界或空隙处出现散射而不能对复杂结构的构件进行探测; X光技术在大多数材料中衰减过快, 探测深度过低而使其受到限制 ^[1] ; 传统的涡流技术受涡流趋肤效应的影响, 其探测深度是很低的, 一般小于0.5 m。而SQUID NDT技术正是在此基础上发展起来的, 综合传统无损探测技术的优点, 避开其缺点的一种新的无损检测技术。

早在十多年前, 就有关于SQUID NDT的报道 ^[2,3] , 属于低T_c的应用。高温超导材料出现以后 ^[4] , 人们对不同结构的约瑟夫结如双晶结 ^[5] 、自然晶界结 ^[6] 、台阶边缘结 ^[7] 和双延外结 ^[8] 进行了广泛而深入的研究, 结的稳定性不断提高, 噪声不断下降, 已接近低T_c SQUID磁强计的噪声水平, 并且由于其工作点降为液氮温区, 使其成本大大降低, 这也促进了高T_c SQUID NDT的迅速发展。由于SQUID磁强计具有极高的灵敏度, 并且能工作于低频状态, 能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定, 这是其它探测手段所无法办到的。在国际上, 已利用高T_c SQUID无损检测技术对内层无磁导体板进行了无损探测 ^[9,10] 。而在国内这项工作仍是空白, 本文的工作将填补这一空白。本文将报道SQUID NDT的一种新的设计装置和初步的实验结果。

1 高Tc SQUID无损检测装置

高T_c SQUID无损检测的工作原理源于常规涡流无损检测。两者不同的是, 常规涡流无损探测的是涡流分布的变化引起的探测线图阻抗的变化, 而SQUID无损检测探测的是导体中涡流磁场的变化。由于导体中涡流的分布存在趋肤效应, 它只适于探测导体表面和近表面的情况。相对而言, SQUID磁强计的磁场灵敏度高达 , 并在直流及低频下, 都有高的灵敏度和大的穿透深度, 故而其探测深度远远大于常规的探测手段。

图1是本文设计的一种新的用于高T_c SQUID无损检测的装置, 它主要有SQUID控制单元、锁相放大器、激励线圈和杜瓦组成, 其中杜瓦的结构是个关键的部分, 一是要求杜瓦的隔热、磁屏蔽效果要好, 保证SQUID能正常工作, 二是要求SQUID的探测线圈距杜瓦外底面越近越好, 以提高探测的灵敏度。为此设计了图2所示的杜瓦装置, 为保证一定强度和节约成本, 内外杜瓦主要由无磁不锈钢组成, 只有内杜瓦的下半部分由导热差的德银管制作, 这样即减小了漏热, 又降低了装置的重量。为减小装置本身具有的磁性, 外杜瓦底部由玻璃钢板构成, 用法兰与外杜瓦壁连接密封。

图1 高温超导SQUID磁强计无损检测装置示意图

为提高系统的分辨率, 减小SQUID与待测物体间的距离, 同时使SQUID免受外界杂质和水汽的干扰, 设计中让SQUID位于杜瓦底部、内外杜瓦的真空夹层中, 为保证SQUID能工作于适宜的低温区, 内杜瓦底部需采用导热良好的材料。在液氮温区附近, 蓝宝石、铜、铝的导热性都很好 ^[11] , 但蓝宝石的成本较高, 而铝的单位比强度比铜的要小得多, 故而设计中选用了铜 (即紫铜) 做为杜瓦的底, 通过氩弧焊把紫铜与内杜瓦壁焊接在一起。这样SQUID通过紫铜块与液氮接触, 保证了SQUID的工作温度。

为进一步减小漏热, 内外杜瓦的真空夹层中缠绕了多层两面镀有铝膜的聚苯乙烯箔片。为了使外杜瓦底有足够的强度承受大气压, 并易与外杜瓦壁的连接, 外杜瓦底的玻璃钢板厚需大于1.5 mm, 一般在1.5～2 mm间。为减小杜瓦底的漏热, 设计中采用了导热差的玻璃板 (厚约1 mm) 作为隔热档板, 并且隔热板与底部玻璃钢板间还需有一定的真空缝隙, 厚约1～0.5 mm, 这样, SQUID与外杜瓦外底面间距可小于4 mm。

由于SQUID对磁场的高度灵敏性, 必须尽可能地减小外部噪声对器件的影响。测量中采用两种磁屏蔽措施, 高频噪声通过测量室中的铜网可以获得良好的屏蔽效果。而对低频噪声, 本文采用了高磁导率材料和超导体材料进行屏蔽 ^[12] , 即在外杜瓦外壁的下半部 (长约180 mm) 缠绕了两层高磁导率的坡莫 (Ni-Fe) 合金材料, 这样磁力线被聚集在磁性材料内, 无法穿入杜瓦内部; 同时紧贴内杜瓦下半部、在液氮内放一YBCO超导屏蔽筒, 筒长60 mm, 筒内径21 mm, 筒壁厚3 mm, 基于Meissner效应的超导体屏蔽筒, 使磁力线无法穿透到超导体材料内部 (只分布于极薄的表层中) , 并且杜瓦中所用不锈钢均为无磁不锈钢, 这些都很好地保护了SQUID, 使它免受外来磁场的干扰。

图2 高温超导SQUID无损检测的杜瓦装置示意图

如图2所示, 杜瓦上端接通SQUID信号输出装置和温度测试装置, 液氮由上端开口处注入, 内外杜瓦间的真空抽气阀门位于杜瓦上端的外杜瓦壁上。本装置在液氮注入10 min后, 即可令SQUID正常工作。杜瓦装置长约600 mm, 上半部长550 mm, 外径为120 mm, 下半部较细, 外径为46 mm, 长50 mm。整个装置重约3 kg, 一次装1 L液氮, 可使用24 h以上, 使用起来非常方便。 SQUID位于真空夹层内, 得到了很好的保护, 经长期的冷热循环工作后, 磁强度计一直保持良好的性能, 没有出现性能衰减。

2 实验过程

如图1所示, 测量时, 杜瓦被水平架靠在木制的固定架上, 待测物体放在杜瓦正下方的水平扫描平台上, 扫描平台由尼龙、玻璃和木板构成, 可通过增减木板来改变扫描平台的高低位置。在扫描平台正下方正对SQUID器件处是一个激励线圈, 激励电流由锁相放大器提供, SQUID的输出信号经SQUID控制单元后, 进入锁相放大器EG&G5209和参考信号进行相干检测, 然后由锁相放大器的输出端输出。信号经计算机处理后, 得到待测参量的分布图。

我们采用的无损探测试样有两种不同尺寸的硬质铝锂合金正方形板: 试样1大小为90 mm×90 mm×2 mm; 试样2大小为180 mm×180 mm×2 mm。多层板叠放可以调整探测厚度。样品板距SQUID磁强计杜瓦外底约3 mm, 距激励线圈约4 mm。选择激励频率为575 Hz, 测量中SQUID磁强计能稳定工作于闭环状态。

对试样1进行了三种测试: 在一块板中心人为割出一40 mm×4 mm×2 mm的窄缝, 然后把它叠放在尺寸相同的九层铝锂合金板的中间, 探测得到输出的等电位曲线 (图3) ; 为研究不同缺陷对测量的影响, 在一块板中心人为挖一直径为10 mm的圆洞, 也把该板叠放在尺寸相同的九层铝锂合金板的中间, 探测得到输出的等电位曲线 (图4) ; 为区分有无缺陷的不同, 探测得到九层尺寸相同无缺陷的铝锂合金板输出的等电位曲线 (如图5) 。

图3 试样1有窄缝缺陷板位于九层铝锂合金板中间时输出的等电位曲线

图4 试样1有圆洞缺陷板位于九层铝锂合金板中间时输出的等电位曲线

图5 试样1的九层铝锂合金板输出的等电位曲线

对试样2也进行了同样的测试, 分别得到图6、图7和图8。

图6 试样2有窄缝的缺陷板位于九层铝锂合金板中间时输出的等电位曲线

图7 试样2有圆洞缺陷板位于九层铝锂合金板中间时输出的等电位曲线

图8 试样2有九层铝锂合金板的输出等电位曲线

3 实验结果和讨论

从测试得到的输出等电位曲线可以看出: 两种试样都可以分辨出有窄缝缺陷与无缺陷的明显不同, 对大尺寸的试样2, 可区分出有圆洞缺陷与无缺陷的输出等电位曲线的不同, 但对小试样却无法区分出圆洞缺陷的有无。我们认为, 当中心的圆洞缺陷相对试样较小时, 试样边界作为无穷大缺陷对测量的影响掩盖了小缺陷对输出电位的影响, 从而导致探测失败。

对大试样的测量还可看到: 缺陷处及附近的等电位曲线分布与缺陷形状相似, 以此可以推测缺陷的大致形状。

在常规的涡流无损检测中, 探测频率在MHz以上, 可探测金属深度在0.5 mm以下, 大部分在0.05 mm左右。就无磁的铝锂合金板而言, 设探测的频率为1 MHz, 电阻率取为ρ=1/σ=5.8×10^-8 Ωm, 其标准趋肤深度d₁ (涡流密度降到表面涡流密度的36.8%时的深度) , 由公式

计算而得, 其中d是标准渗透深度, μ_rel为相对磁导率, f为激励频率, σ为试样电导率。 d₁=0.12 mm, 这远小于SQUID的趋肤深度d₂=5.1 mm, 而且SQUID的磁场灵敏度又高, 故其探测的深度远远优于常规涡流的探测深度。

在此还可从理论上推测出本文的SQUID磁强计测量系统所能探测的铝锂合金板的最大探测深度, 由于SQUID磁强计的拐点在10 Hz处, 在良好的屏蔽下, 可在该频率下进行探测, 测量的趋肤深度为d₃=61 mm, 也即该磁强计无损检测铝锂合金板的最大深度可达61 mm以上。

4 小结

本文根据涡流测试原理设计和制作了用于SQUID无损检测的装置, SQUID位于杜瓦真空夹层中, 减小了被测物体与SQUID探头之间的距离, 提高了分辨率。初步测量也得到了较好的结果, 可以在180 mm×180 mm×2 mm的硬质铝锂合金板中探测到40 mm×4 mm×2 mm的窄缝和直径为10 mm的圆洞缺陷, 这远远优于常规涡流无损检测的深度。测量还表明: 缺陷处及附近的等电位曲线分布与缺陷形状相似, 以此可以推测缺陷的大致形状。