脉冲磁场处理（共7篇）
脉冲磁场处理 篇1
0 引言
高碳高铬钢SKD11是国内精冲企业使用较多的冲压模具钢材,冲压模具承受着高接触压力、剧烈摩擦,以及循环应力与应变,极易产生疲劳失效,导致模具寿命缩短。金属疲劳失效的重要原因之一是金属内部位错的增殖与塞积,宏观上表现为残余拉应力的集中与幅值提高[1]。脉冲磁场处理作为热处理的替代技术,已被应用于刀具的改性,但该技术在冲压模具上的应用鲜有报道,有鉴于此,笔者开展了相关研究。
目前,对于磁处理使铁磁性金属材料内部残余应力降低的原因,大部分学者认为是磁致伸缩导致应力松弛和磁场能量增强了位错的运动能力,这两种理论均不能很好地解释全部试验现象,且理论分析也多停留在定性的阶段。本文设计单因素试验来研究磁处理的机理,在得到相应试验结果后,从应力微观本质———位错的角度全面地分析了试验结果,首次将磁处理过程分为两个阶段,并且对磁处理的理论进行了进一步的完善。建立了脉冲磁场处理在冲压模具的应用中需要遵循的原则。
1 试验准备
1.1 试样制备
为了在试样内部产生残余拉应力,需要对试样进行单轴拉伸,针对SKD11板材,参照金属材料GBT228-2002拉伸试样国家标准[2],设计了尺寸如图1所示的拉伸试样。采用线切割加工外形轮廓,对表面进行磨削加工,控制其表面粗糙度Ra为0.8~1μm,磨削后试样的厚度为1.8~2.0mm。
磨削后试样表面有100MPa左右的压应力,这不利于后续拉伸试验中残余拉应力的产生。因此,需对试样进行去应力退火,退火后对试样进行单轴拉伸,拉伸量为2mm,拉伸后会在试样内产生100~200 MPa且方向沿试样轴向的单向拉应力。
1.2 试验环境
试样性能的检测主要涉及到残余应力的测量。试样的磁处理位置见图2,磁化器实物如图3所示。
X射线衍射法是最常用的直接测量残余应力的方法,具有较高的测量精度,不破坏材料且不受材料尺寸限制,目前被广泛采用。本文测量残余应力采用X射线衍射法。试验采用的残余应力测试仪为日本岛津公司生产的XRD-7000S型残余应力测试仪。
2 单因素试验
2.1 磁场强度单因素试验
2.1.1 试验结果
本单因素试验中,固定磁场频率、磁场方向、磁场作用时间不变,只改变磁场强度,对试样进行磁处理,并测得处理前后试样的表面残余拉应力值。参考文献[3],取磁场频率f=1Hz,磁场方向与主应力方向的夹角α=90°,磁处理作用时间t=60s,磁场强度B的取值为1.3T、0.8T、0.5T、0.2T、0.06T。磁处理的结果如表1所示。
2.1.2 试验结果分析
磁场强度对残余拉应力降幅的影响如图4所示,磁场强度为0.2T、0.06T时,残余拉应力几乎没有变化;磁场强度为0.5T时,残余拉应力的平均降幅约为6%;磁场强度为0.8T时,残余拉应力的平均降幅约为10%;磁场强度为1.3T时,残余拉应力的平均降幅突然升高,约为40%。说明,SKD11钢中残余拉应力的降幅并不是随着磁场强度线性变化的,脉冲磁场降低残余拉应力,存在一个磁场强度的阈值,磁场强度低于此阈值时,脉冲磁场对残余拉应力的降低可以忽略,磁场强度高于此值时,脉冲磁场对残余拉应力的降低才得以启动。
2.2 磁场频率单因素试验
2.2.1 试验结果
本单因素试验中,固定磁场强度、磁场方向、磁场作用时间不变,只改变磁场频率,对试样进行磁处理,并测得处理前后试样表面的残余拉应力值。
取磁场强度B=1.3T,磁场方向与主应力方向的夹角α=90°,磁处理作用时间t=60s。磁场频率f的取值为1Hz、5Hz、10Hz、15Hz。磁处理的结果如表2所示。
2.2.2 试验结果分析
由表2可知,脉冲磁场频率在1~15Hz范围内,频率这一因素对残余拉应力的降幅的影响不显著。
2.3 磁场方向与拉应力方向间夹角单因素试验
2.3.1 试验结果
本单因素试验中,固定磁场强度、磁场频率、磁场作用时间不变,只改变磁场方向与拉应力方向间夹角α,对试样进行磁处理,并测得处理前后试样表面的残余拉应力值。
取磁场强度B=1.3T,磁场频率f=1Hz,磁处理作用时间t=60s。本文只选取具有代表性的0°与90°角进行定性研究。磁处理的结果如表3所示。
2.3.2 试验结果分析
磁场与拉应力方向间的夹角α为90°,即磁场方向垂直于拉应力方向时,拉应力的平均降幅为42.5%;α为0°,即磁场方向平行于拉应力方向时,拉应力的平均降幅较小,为7.56%。α为90°时拉应力的降幅远大于α为0°时拉应力的降幅。
2.4 磁场作用时长单因素试验
2.4.1 试验结果
本单因素试验中,固定磁场强度、磁场频率、磁场方向与拉应力方向间夹角α不变,只改变磁场作用时间,对试样进行磁处理,并测得处理前后,试样表面的残余拉应力值。
取磁场强度B=1.3T,磁场频率f=1Hz,α=90°。磁处理的时长t的取值为5s、30s、60s、120s、600s。磁处理的结果如表4所示。
2.4.2 试验结果分析
磁处理时长对拉应力降幅的影响结果如图5所示,磁处理时长为5s时,残余拉应力平均降幅约为10%;磁处理时长为30s时,残余拉应力平均降幅约为30%;磁处理时长为60s、120s时,残余拉应力平均降幅约为40%;磁场时长为600s时,残余拉应力平均降幅约为20%。
SKD11钢中残余拉应力的降幅并不是随着磁处理时长的增加而单调增大的,随着磁处理时长的增加,残余拉应力的降幅会出现一个极大值,过了此极大值点,拉应力的降幅会减小。
3 试验结果的微观本质分析
3.1 材料应力的微观本质
位错在晶体中的存在,使其周围原子偏离平衡位置,而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。一般而言,晶体内的位错密度越大,晶体内应力的绝对值越大;晶体内位错集中的地方,也往往伴随着应力的集中。单因素试验中,试样材料的残余拉应力与微观硬度的大小发生变化,从微观本质上讲,是材料内部位错运动与增殖的结果。
3.2 磁场作用下的位错受力分析
晶体中位错产生的应力场通过磁弹性耦合和磁化而相互作用。畴壁能依赖于应力,在位错的应力场中畴壁能随畴壁与位错的距离和相对取向而变,因而畴壁受力pw。另一方面,畴壁中磁化矢量的方向与两侧磁畴不同,随坐标而转动,自发形变亦随之而变,在畴壁中及畴壁周围产生应力场。位错处于畴壁的应力场σM中受到的作用力pd与畴壁在位错场中受到的作用力pw恰为作用力与反作用力,即pw=-pd,有[4]
式中,b为伯格斯矢量;σM为畴壁产生的应力张量;dl为位错线元。
SKD11钢中磁畴以180°畴为主,为了简化分析,本文只考虑刃型位错的应力场与畴壁应力场的相互作用,简化后的畴壁与位错相互作用模型示意图见图6。由式(1)可粗略地认为,磁化稳定时,位错线穿过畴壁的刃型位错受到外磁场H的作用而获得的切应力为
式中,μ0为真空磁导率;Ms为饱和磁化矢量;l为位错线的长度;β为位错伯格斯矢量b与外加磁场H的夹角的补角(H与pd平行)。
3.3 磁场作用下位错运动与增殖的阶段性分析
(1)第一阶段———位错塞积群的开动。图7为位错塞积群模型示意图。假设障碍(晶界)只施加短程作用力,且只和位错群中领先的位错相互作用。设位错塞积群对晶界作用的合力大小为τa,则领先位错受到方向相反、大小相等的作用力τ。设在外磁场作用下,单个位错受到的力为τH0,位错塞积群中有n个位错,则领先位错和晶界受到的作用力为
由式(3)可知,当施加一个外加磁场时,若材料中存在位错塞积群,则晶界与塞积群中“紧贴”晶界(障碍)的领先位错的受力相对于没有塞积群时放大了n倍。
位错要在晶体中滑移,其受到的切应力必须克服晶体中的点阵阻力,计算克服点阵阻力的临界切应力的常用模型为佩尔斯-纳巴罗模型[5],根据该模型求得的临界切应力为
式中,G为该材料的切变模量;γ为该材料的泊松比;a为晶体与相邻晶面的间距。
由式(3)和式(4)可粗略地计算出使位错塞积群开动的临界外磁场的强度,该临界场强Hp即为磁场强度单因素试验中提到的阈值:
由式(5)可知,位错塞积群的存在大大降低了使位错开动的临界外磁场的大小,当外磁场强度大于临界场强时,位错塞积开动,位错解塞,从而使位错在晶体中分布得更加均匀,位错的缠结减少,虽然此时晶体中位错的平均密度并未降低,但是晶界及障碍处的局部位错密度大大降低。局部位错密度的大大降低,在宏观上表现为残余应力的降低。
晶体中有众多的位错塞积群,不同位错塞积群所包含位错的数目n是不一样的,n越小,塞积群开动需要的临界外磁场的强度就越大。故外加磁场的场强越大,磁场所能开动的塞积群就越多,磁处理后晶体内的位错就分布得越均匀,应力下降的幅值就越大,这点在磁场强度单因素试验中得到了证实。
由式(2)和式(3)可知,位错伯格斯矢量b与外加磁场的夹角β对位错所受的作用力有很大的影响,当β=90°时,作用力的理论值为0,此时磁处理后应力的降幅很小,β=0°时,作用力最大,此时磁处理后应力的降幅最大。β=90°和β=0°分别对应于磁场方向单因素试验中α=0°和α=90°。
(2)第二阶段———均化分布后位错的增殖。拉伸试样中位错塞积群的开动和位错的均化分布完成以后,如果继续施加外加磁场,则由式(2),在外磁场的作用下,位错将继续受到切应力τH的作用,若τH足够大,则会发生位错的增殖。
目前引用最广的一种位错增殖机制是弗兰克-瑞德源[6]:设想晶体中有一段位错线两端被钉住,在应力作用下,位错线由于滑移而变弯曲,而位错所受作用力恒与位错线相垂直,位错的发展情况如图8所示,当弯曲的线段相互靠近时,可以互相抵消,形成一闭合的位错圈和一段短线,这样的过程可以反复进行下去,源源不断地产生新的位错圈,当位错圈和晶体表面相截,就形成了台阶,这就是滑移线。
使弗兰克-瑞德源动作所需的临界切应力τc决定于运转中位错线的最大曲率,当位错线呈半圆形时,曲率为最大值,此时可求出
当磁场对位错的作用力τH=τc时,则在磁场的作用下,位错将发生过增殖,结合式(2)与式(6)可得促使弗兰克-瑞德位错源增殖的临界场强:
由于此阶段位错的塞积已经被清除,位错已均化分布,故此时,考虑克服点阵阻力滑移所需的临界场强时,应针对单个位错,即将式(5)中等式右边分母中的n去掉,从而得到使单个位错克服点阵阻力而滑移所需的临界场强为
通过粗略的估计比较,可得各临界场的关系为。第二阶段,若外加磁场的强度|H|>|Hc|,则|τH|>|τc|,此时弗兰克-瑞德源动作,位错增殖,滑移线生长,位错密度增大。
综合以上分析,外加磁场对SKD11钢拉伸试样中位错的作用,可以被划分为两个阶段。首先,若外加磁场强度大于使位错塞积群开动所需的临界场强Hp,则发生位错塞积的开动以及位错的均化分布,从而使局部位错密度大大降低,使得残余拉应力和硬度降低;当位错的均化分布完成以后,若外加磁场强度大于使位错源增殖所需的临界场强Hc,则在外加磁场继续作用下,会发生位错的增殖,从而使位错密度升高,此时材料中的残余拉应力和硬度值又会略有升高。
若铁磁性材料试样内部位错的初始态已是均化分布的状态(去应力退火态),则对该试样进行磁处理时,当外加磁场强度大于使位错源增殖所需的临界场强时,则位错增殖,位错密度升高。该磁处理过程无第一阶段而只有第二阶段,此时试样的硬度和内部的残余应力会直接升高。
各临界场强Hc、Hp、H′p的表达式中均未包含磁场频率这一工艺参数,可见磁场频率对位错密度及其分布的影响不大,从而解释了“磁场频率单因素试验”的试验结果。
4 结论
(1)通过比较分析可得各临界场的大小关系,即,故在磁处理时,不必一味地追求高的磁场强度,从节能和降低设备成本的角度来看,最适磁场强度的取值范围为|Hp|<|H|<|Hc|。
(2)磁场与应力方向间夹角对磁处理效果有较大影响。
(3)脉冲磁场的频率对磁处理效果影响不大,从节能和降低设备成本的角度来看,最好采用1~5Hz低频脉冲磁场。
(4)磁处理的时间并不是越长越好,磁处理时间过长,反而会导致应力降幅的减小,对于特定材料和特定磁场工艺参数组合,最合适的磁处理时间不一样,应该通过试验来确定最适合的磁处理时长。
摘要：为了探究脉冲磁场处理对SKD11钢残余应力的影响机理,设计了单因素试验并得到了磁场强度、磁场频率、磁场方向以及磁处理时间等参数单独变化时试样残余拉应力的变化结果。同时从应力的本质入手,将磁处理过程划分为位错塞积开动和位错增殖两个阶段来分析,对试验现象做出了全面解释,推导出了在第一阶段中使位错塞积群克服点阵阻力所需的临界磁场强度Hp的公式,以及在第二阶段中使单个弗兰克-瑞德位错源增殖所需的临界磁场强度Hc的公式和使单个位错克服点阵阻力所需的临界磁场强度H′p的公式。最后,以试验结果和理论推导为依据,建立了脉冲磁场处理在冲压模具的应用中需要遵循的原则。
关键词：SKD11钢,脉冲磁场处理,残余拉应力,位错,冲压模具
参考文献
[1]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.
[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法[S].北京:中国标准出版社,2002.
[3]唐非,鹿安理,方慧珍,等.一种降低残余应力的新方法——脉冲磁处理法[J].焊接学报,2000,21(2):29-31.Tang Fei,Lu Anli,Fang Huizhen,et al.A New Residual Stress Reducing Method——Pulsed Magnetic Treatment[J].Transactions of the China Welding Institution,2000,21(2):29-31.
[4]冯端.金属物理学(第四卷)[M].北京:科学出版社,1998.
[5]冯端.金属物理学(第一卷)[M].北京:科学出版社,1998.
[6]胡庚祥,蔡珣,戎咏华.材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社,2006.
脉冲强磁场的发展及应用 篇2
强磁场的价值在于对物理学知识的重要贡献, 将其应用到科学研究后发现了很多的新现象和新效应。强磁场的一个重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现, 这是在强磁场下研究二维电子的输运现象时发现的, 分别于1985和1998年获得诺贝尔物理奖, 由此激起物理学家探索其应用价值的热情。但是稳态磁场有其局限性不能达到很高的数值, 这时脉冲强磁场技术受到格外重视, 它可以达到数倍于稳态磁场的数值, 具有更高的使用价值。
1 脉冲强磁场概况
1.1 国内外脉冲强磁场的发展状况。
脉冲强磁场技术是集磁体设计与制造、强制冷系统和大功率电源等技术为一体的综合性技术, 在我国由于受到诸多因素的影响, 仅在稳态磁场上可以达到20特斯拉, 而在脉冲强磁场技术上与世界先进水平的差距很大, 基本不具备开放实验能力。而对于发达的西方国家在这方面具有较高的水平, 在美国、俄罗斯和日本等一些国家已经建立起大型实验室, 可以产生百特斯拉以上的磁场。
1.2 脉冲强磁场的产生技术。
脉冲强磁场的产生要依赖脉冲强磁体的使用, 脉冲磁体主要包括螺线形导体绕组、绝缘层和加固层几大部分, 在结构上与我们熟悉的螺线管电磁铁相同, 就是脉冲磁体中铁心对磁场的贡献很小, 所以就没有继续使用铁心, 而是使用了中空结构。对螺线管通入大的电流就可以得到几十甚至上百特斯拉的强磁场, 由于这个过程产生的热量很大, 所以在通入电流的时候采取间断的方法, 每次通入持续时间很短, 通常只有几毫秒甚至几微秒, 就可以得到脉冲强磁场。
根据脉冲强磁体是否可以被重复利用, 又将它分为两类。第一类是产生的磁场强度低于100特斯拉的脉冲磁体, 这类磁体在使用过程中不被破坏, 所以可以重复使用, 称为非破坏性脉冲磁体;另一类是产生100特斯拉以上强磁场的脉冲磁体, 由于磁体内的磁通量在瞬间发生急剧变化而产生超强磁场, 磁体遭到了破坏, 称为破坏性脉冲磁体。目前在破坏性脉冲磁场的实现方法上还没有重大突破, 主要还是采用单匝线圈法、电磁压缩法和爆炸压缩磁通法。单匝线圈法是利用电容器对单匝线圈进行快速放电来产生强磁场, 目前使用这种方法最高可以产生300特斯拉的脉冲磁场;电磁压缩法是在直径为几个毫米的磁体内产生脉宽为1毫秒的脉冲磁场, 采取这种方法东京大学实现了606特斯拉的脉冲磁场;爆炸压缩磁通法的实现有一定的难度, 只有在装备特殊仪器的实验室中才能完成前苏联采用这种方法创造了1600特斯拉的超强磁场。
1.3 脉冲强磁场的测量方法。
在许多研究中都需要知道磁场强度及其随时间、空间的变化情况因此建立脉冲强磁场的测量技术十分有意义, 目前主要的测量方法有三种:磁探针法、法拉第磁光效应法和塞曼效应法。
磁探针法是测量脉冲强磁场的一种最常用的方法, 它由一个小线圈和积分器组成, 它的基本原理是法拉第电磁感应定律, 如果一个小线圈放在变化的磁场中, 线圈两端的感应电压与磁通量的变化率成正比, 再把线圈感应电压经电子学积分输入示波器, 即可根据示波器上测得的电压直接计算出磁场强度。使用磁探针法时要注意一些问题, 探针的截面积要尽可能的小, 尤其在测量高梯度的磁场时, 为了防止静电耦合, 探针通常采用不锈钢作静电屏蔽, 并封装在石英或氧化铝管内, 为了确保测量信号的真实性, 要求测量探针在较宽的频率范围内具有线性响应。
法拉第磁光效应法是用与磁场平行的光束通过处于磁场中各向同性介质 (如石英、玻璃等) 探针时, 光束的偏振面发生旋转, 根据旋转角与磁场强度的成正比的关系计算出磁场强度。使用这种方法时由于所用介质的成分和含杂质的多少不同所以计算时所用的参数会不够准确, 需要用其它方法进行校正。
塞曼效应法是使用特殊光源例如低压水银灯, 让光平行地通过磁场, 谱线发生分裂, 用摄谱仪观察记录谱线分裂的距离, 利用两谱线的裂距和磁场强度的关系计算出磁场强度的大小。但是此方法不宜测量弱磁场, 由于电子之间的相互作用, 电子轨道角动量和自旋角动量的电磁相互作用, 出现谱线自然多重性裂距。
1.4 目前所遇到的一些问题。
在脉冲强磁场设计中, 一旦强度达到100特斯拉以上, 要想再提高磁场强度就会遇到难以解决的问题。首先是温升为了产生更高的磁场, 往往在磁体绕组上加载数千安的电流, 而脉冲磁体的体积通常仅仅只有数百立方厘米, 于是在这样小的体积内聚集了很高的能量, 使得磁体温度急剧上升, 导致电阻率上升、功耗增加、电流分布不均匀、甚至磁体遭到烧坏;其次是应力, 在励磁工程中产生巨大磁应力, 例如100特斯拉的磁场将在线圈绕组上产生4G帕斯卡的应力, 这几乎是目前任何材料都难以承受的, 必须想办法提高磁体材料的抗拉强度或采用磁体增强技术。
2 脉冲强磁场的应用
相对于其它极端条件, 脉冲强磁场有其自身的特色。脉冲强磁场的作用是改变一个系统的物理状态, 即改变角动量 (自旋) 和带电粒子的轨道运动, 因此, 也就改变了物理系统的状态。正是在这点上, 脉冲强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段, 如中子源和同步加速器, 它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境, 并导致新的特性, 而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态, 如超导电性和相变, 但脉冲强磁场极不同于低温, 它比低温更有效, 这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化, 并破坏时间反演对称性, 使它们具有更独特的性质, 如今所做的研究有如下几个方面:
2.1 超导机理研究
侧重于研究正常态在脉冲强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及温度低于居里温度时用脉冲强磁场破坏超导体达到正常态时的输运性质等;另外, 对有望表现出高温超导电性的体系和在强电方面具有广阔应用前景的低温超导体等也将开展其在脉冲强磁场下的性质研究。
2.2 低维凝聚态特性研究
低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性, 低维不稳定性导致了多种序相。主要研究内容包括:有机铁磁性的结构和来源;有机超导体的机理和磁性;脉冲强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性;低维磁性材料的相变和磁相互作用等等。
2.3 极细尺度中的物理问题
极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特征, 这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。脉冲强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段, 不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象, 而且为在更深层下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究脉冲强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性;量子尺寸效应、界面效应;极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。
2.4 生物学、生物-医学研究
脉冲强磁场还存在生物医学效应, 对小鼠的杀伤实验研究表明, 交变脉冲强磁场对肿瘤组织细胞具有选择性杀伤作用和抑制肿瘤生长作用, 并且对生物体的免疫功能有一定的调节作用, 使得脉冲强磁场可能成为治疗癌症的一个新的物理疗法。
由此我们看到, 脉冲强磁场技术在得到快速发展的同时也进行了相关的研究, 对我们认知世界的能力、生产力科学的发展以及医学应用都有着举足轻重的作用, 在以后的科研中脉冲强磁场技术和研究还将作为优先发展目标。
摘要：叙述了国内外脉冲强磁场的发展状况, 给出了脉冲强磁场的几种产生方法和目前使用的设备中所存在的一些问题, 并介绍了脉冲强磁场的应用前景。
关键词：脉冲强磁场,产生方法,应用
参考文献
[1]刘智民.超强磁场的发生技术[J].物理, 1997, 12 (26) .[1]刘智民.超强磁场的发生技术[J].物理, 1997, 12 (26) .
[2]彭涛, 辜承林.脉冲强磁场发展技术[J].核技术, 2003;3 (26) :185-188.[2]彭涛, 辜承林.脉冲强磁场发展技术[J].核技术, 2003;3 (26) :185-188.
[3]龚兴根.脉冲强磁场测量[J].爆轰波与冲击波, 2000, 2:68-74.[3]龚兴根.脉冲强磁场测量[J].爆轰波与冲击波, 2000, 2:68-74.
高频脉冲磁场动态检测技术研究 篇3
磁刺激技术是近30 a发展起来的一种用于脑科学研究和脑神经疾病诊断与治疗的新技术。该技术通过对磁性线圈通以瞬时、高强度的脉冲电流, 在垂直于线圈平面的方向会产生时变的磁场, 该磁场通过空间耦合进入人体组织内部, 形成的感应电流刺激可兴奋组织并影响生物体内的诸多代谢过程及电活动[1]。经颅磁刺激 (transcranial magnetic stimulation, TMS) 是一种无痛、无创的绿色治疗方法, 磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经, 已被广泛应用于脑认知功能研究和神经疾病的临床应用中, 并取得了丰富的研究成果和良好的诊断与治疗效果[2,3]。
目前, 经颅磁刺激设备只是对线圈输出的磁场强度、脉宽等特性进行理论计算并输出, 并不具备对脉冲刺激线圈产生的磁场实时动态检测功能, 而商品化的磁场检测设备很少能同时满足高频医用磁刺激磁场动态测量的要求[3,4]。本文采用法拉第电磁感应原理, 研究设计了高频脉冲磁场动态检测装置, 该装置能够测量变化的磁场, 测量范围宽、灵敏度高、频响范围大, 可以达到对经颅磁刺激中使用的磁场实时检测的目的[5,6]。
1 方法与设计
1.1 测量原理
基于法拉第电磁感应定律, 将磁场探测线圈 (匝数为N、截面积为S) 置于磁感应强度为B的被测磁场中, 使磁场方向垂直于探测线圈平面, 当垂直穿过探测线圈的磁通量ψ发生变化时, 在探测线圈两端会检测到感应电动势ξ[7,8]:
当探测线圈半径很小时, 则可以认为探测线圈内的磁场强度基本不变, 感应磁场强度可按下式计算:
由此可以求得感应磁场强度。实验中, 探测线圈匝数N与截面积S是定值。因此, 只要对采集到的感应电动势ξ信号进行积分就可测得磁感应强度。
1.2 检测方法
本文设计的高频脉冲磁场动态检测装置原理框图如图1所示。该装置由定标信号、功率放大、磁场检测、信号处理、结果显示5个部分构成。
1.3 磁场检测与定标装置
磁场检测与定标装置由磁场定标发生线圈和磁场探测线圈组成。
测量使用的定标信号为MHz级单周期正弦电压信号, 由AFG3252型函数发生器产生, 通过功放施加于磁场定标发生线圈从而产生高频脉冲磁场[9,10]。磁场探测线圈呈螺旋形, 匝数为9匝, 外径D=15.00 mm, 线圈连接信号处理电路, 用于对测量的感应电动势进行信号处理。
实验过程中, 将磁场探测线圈放置在磁场定标发生线圈中心, 使2个线圈的中心轴线重合, 将2个线圈的相对位置固定。磁场垂直穿过探测线圈平面并在线圈中产生相应的感应电动势, 通过信号处理电路对感应电动势信号进行求差、放大、滤波和积分变换, 从而得到磁场相关参数, 通过与理论计算值比较对该装置进行定标。
1.4 信号处理电路与流程
1.4.1 信号处理电路
信号处理电路用于对微弱感应电动势信号的放大, 去除信号中的高频干扰, 对信号进行积分, 还原磁场信号波形, 完成对感应磁场参数的检测。其主要流程如图2所示。
(1) 差动放大电路。首先对磁场探测线圈两端产生的感应电动势信号求差并进行放大后用于测量。本文中差动放大电路设计如图3所示, 采用三运放结构, 选用放大器芯片为AD8011, 在25 MHz以内增益平坦度为0.1 d B, 差分增益误差只有0.02%, 电路放大倍数为10~100倍可调。
(2) 滤波电路。考虑到使用环境中的高频干扰, 本设计中的滤波电路主要用于滤除电路中的高频噪声成分。如图4所示, 滤波电路采用有源低通滤波电路的基本形式, 选取巴特沃斯逼近, 滤波器阶数为2阶, 通带增益为1, 截止频率设为10 MHz, 从而滤除高频噪声干扰[11]。
(3) 积分电路。信号积分采用积分电路的基本形式, 电路的输出电压与输入电压随时间的不定积分成正比, 放大器工作在反相结构, 输出电压为。加入反馈电阻Rf与电容C并联, 电路图如图5所示。电容的阻抗远小于Rf, 形成积分电路形式, 达到交流信号积分的效果[12,13]。
由于积分电路的输出信号与输入信号幅值之比, f为信号频Vi率。这里取电容C为10 n F, 电阻R为160Ω, 在100 k Hz频率下, 输出信号与输入信号幅值之比为0.995, 接近1∶1。随着频率的变化, 比值呈反比变化, 通过施加幅值适当的输入信号, 使得频率在1 k Hz~1 MHz之间的输入信号经积分后的输出信号在可测量范围内;反馈电阻Rf为160 kΩ, 使得, 能够阻止直流输入参与积分, 同时又减小了100 Hz以下的低频信号参与积分的程度。
1.4.2 测量信号处理
在脉冲磁刺激线圈中产生连续的正弦形式的高频磁场信号B (t) , 对B (t) 用公式表示为:
其中, Bmax为磁场强度的最大值, f为磁场信号的频率。
通过磁场探测线圈对磁场信号进行测量, 磁场探测线圈的截面积为S, 匝数为N, 磁场探测线圈会得到感应电动势Vcoil:
对信号进行求差、放大 (放大倍数为G) 、滤波和积分, 从而输出经电路还原后的磁场信号Vout, 结合积分电路的积分公式, R、C分别为积分电路中的电阻、电容, 则
积分电路输出的连续正弦电压信号与磁刺激磁场的连续正弦磁场信号线性相关, 整体增益为。对信号处理电路的输出信号通过高采样率的全波记录, 系统输出的电压幅度对应脉冲磁刺激线圈产生的感应磁场强度增益为, 感应电信号脉宽与感应磁场脉宽相同。参考数字示波器显示的波形参数, 可以反求原脉冲磁场的强度、脉宽等参数。
1.5 脉冲磁场真实值估计
根据IEEE标准[9], 本文设计了磁场真值的估计与标定方法, 即使用磁场探测线圈测量能准确计算的参考磁场, 并将结果进行比对。实验中的磁场定标发生装置可产生准确计算的参考场, 通过此参考场的计算值对磁场检测装置得到的测量值进行标定。
根据毕奥-萨伐尔定律, 载流导线产生的磁场强度可由如下公式计算:
其中, μ0为真空磁导率, I为载流体中的电流强度, r0是指从电流源位置到磁场测量位置的矢径, 可以推导出载流圆线圈中心处的磁场强度为。线圈电流I可以精确测量, 磁感应强度真值即可精确计算出。
2 测量结果
2.1 电路测试
为了测试电路各部分工作的频率响应、精度等性能是否满足设计指标, 本文设计实验对磁场进行实际测量。
首先测试差动放大电路的幅频响应及准确性。采用函数发生器AFG3252发生200 m Vpp的正弦脉冲信号作为差动放大电路的输入, 电路的放大倍数设为11倍, 在0.1~10.0 MHz之间改变输入信号频率, 通过数字示波器MSO4014对电路的输出信号进行全波记录, 绘得差动放大电路的幅频响应曲线 (如图6所示) 。通过对数据的分析发现, 差动放大电路在增益倍数为11倍的情况下, 电路的截止频率为57 MHz, 可以对频率在4 MHz以内的信号准确放大。在4 MHz范围内, 电路的平均增益为11.15, 最大相对误差仅为1.06%, 可以用作对信号的精确放大。
测试滤波电路幅频响应, 滤波器通带增益为1, 截止频率设为10 MHz。采用函数发生器输入200 m Vpp的正弦脉冲信号, 在0.1~50.0 MHz之间改变输入信号频率, 通过数字示波器对电路的输出信号进行全波记录, 得到滤波电路的幅频响应曲线 (如图7所示) 。通过对数据分析发现, 滤波电路频率在3.0 MHz以下时通带增益平坦, 不会对感应电压信号造成缺失, 电路截止频率为10.1 MHz, 与设计的滤波截止频率一致, 能够对高频噪声进行有效减弱。
由于积分电路的特性, 在输入信号幅值不变的情况下, 输出信号幅值与输入信号的频率成反比, 这里对频率为10 k Hz~1.0 MHz之间的特征频率点进行测试, 实际积分效果均达到理论值。以输入频率50 k Hz的正弦脉冲信号为例, 对电路的实际工作性能测试, 记录电路积分后的信号 (如图8所示) 。电路的输入信号为154.4 m Vpp, 经积分后输出信号波形达到积分并反相的效果, 幅值为302.4 m Vpp, 而电路在50 k Hz下输出的理论值为:
与实际值接近, 达到预期要求。
经测试, 信号处理电路各部分的实际工作性能均达到设计要求, 可以完成对MHz级信号求差、放大、滤波和积分变换的信号处理要求。
2.2 测量结果与误差
通过示波器记录磁场发生线圈的限流电阻上的电压信号, 用于脉冲磁场真值计算。
以频率为50 k Hz的正弦信号输入为例, 图9中的通道1~4分别为频率50 k Hz下1/100的功率放大后的输出信号、限流电阻上的电压信号、探测线圈中的感应电动势信号以及积分后的输出信号。
检测不同频率的感应磁场强度, 改变激励频率, 分别对10、50、100、500 k Hz和1 MHz等5个频率点的磁场强度进行10次重复测量取平均值Bd。将Bd与真值Br (标定值) 相比, 得出相对误差η, 计算结果见表1。
从表中可知, 在10 k Hz~1 MHz频率范围内, 磁场检测结果保持很好的准确性和真实性, 相对误差在可接受范围内, 实测结果能够反映真实磁场的动态特性。
3 讨论
本文研究了高频脉冲磁场动态检测技术, 自主设计了磁场动态检测与标定装置和信号处理电路, 可有效采集高频脉冲磁感应信号, 通过高质量的放大、滤波、避免直流累加的积分等处理, 完成磁场信号还原显示, 实现了MHz脉冲磁场的动态检测。实验结果表明, 动态特性测量值与真值保持良好的一致。
下一步工作是对信号处理电路及磁场检测系统的进一步的误差分析及调试, 在保证测量结果准确性的前提下缩小探测线圈尺寸, 提高整体电路的信噪比, 增大系统的适用范围, 完成系统的集成化以及数字化, 并投入实际应用。
摘要：目的:为解决目前通用的经颅磁刺激设备不具有对磁场实时动态检测功能这一问题, 基于法拉第电磁感应法, 开展对10 kHz1 MHz脉冲磁场动态检测技术的研究。方法:设计一种磁场动态测量与标定装置, 选用正弦脉冲施加于磁场发生线圈, 采集检测装置线圈上的感应电动势, 通过信号处理电路完成所采集信号的求差、放大、滤波和积分处理, 从而得到脉冲磁场参数。结果:该技术实现了对频率在10 kHz1 MHz之间、强度为μT量级磁场的准确测量, 测量结果通过标定, 与真实值的相对误差小于2.5%, 显示出较好的稳定性和一致性。结论:该技术能够对脉冲磁场进行较准确的测量和标定, 可通过进一步的研究投入实际应用。
脉冲磁场处理 篇4
近年来, 华中科技大学与鲁汶大学共同合作开发了脉冲磁体设计软件PMDS2.0, 目前被欧洲“DeNUF”项目采纳为磁体设计工具。
2003年至2004年, 华中科技大学脉冲强磁场实验室成为教育部重点实验室, 研制出国内最高磁场强度的脉冲强磁场装置。之后, 华中科技大学又以脉冲强磁场教育部重点实验室的建设为基础, 在中比政府间科技合作的支持下, 申报了脉冲强磁场国家重大科技基础设施, 并获得了批准。
脉冲磁场处理 篇5
(1)怀柔太阳观测基地35 cm真空折射望远镜情况简介[1]
怀柔观测基地的太阳磁场望远镜是世界上最先进的磁场观测设备之一,自投入使用的20多年来,取得了大量国际一流的观测数据,依托这些先进的设备和数据,培养了一批有影响力的天文工作者,并以此为基础形成了一个具有国际竞争力的太阳物理研究群体。太阳磁场望远镜可以在太阳光球FeI 5 324.19Å和色球H 4 861.34Å两条谱线上工作,测量太阳大气中两个层次上的磁场、纵向速度场、亮度场等物理参量,是一台多功能的综合性太阳观测设备,可用于太阳磁场和磁活动的观测研究、日地空间灾害天气的监测和预报等多种用途。
太阳磁场望远镜的基本参数如下:
物镜:口径350 mm;焦距2 800 mm;
工作波长:FeI 5 324.19Å(观测太阳光球);H 4 861.34Å(观测太阳色球);
双折射滤光器:带宽~1/8Å,透过带位置可调;
测量精度:纵磁场~10 G;横向磁场~150 G;速度场~10 m/s。
(2)磁场望远镜的偏振光分析器测量原理简介[2]
太阳磁场望远镜的核心是在普通太阳望远镜基础上加入偏振光学系统。偏振光学系统由偏振分析器(或称磁分析器)和双折射滤光器组成,其中偏振分析器是决定磁场测量精度的核心器件。太阳磁场望远镜偏振分析器包括一个1/4λ波片,光轴方位角为θ;一个KD*P晶体调制器,其光轴方位角为45°,不断变化的电压引起的位相延迟为δ(t);其后还有一个光轴方位角为0°的偏振片。KD*P晶体位于滤光器的最前端。当给它加上适当幅值的方波电压时,它就可以成为1/4λ波片或负1/4λ波片(KD*P晶体位相延迟与所加电压成正比)。左旋光或右旋光通过它,便变成线偏振光。因为滤光器前是一偏振片,所以当KD*P调制时,总是只有一种(左旋或右旋)圆偏振光被通过。
根据塞曼效应,纵向磁场使谱线分裂成左旋和右旋圆偏振光,它们的位相差为ΔλH。当KD*P上的电压为正时,只有左旋光波通过。CCD接收的光强度为I-;当KD*P上的电压为负时,只有右旋光通过,CCD接收的光强度为I+。此时产生光强差,它正比于磁场强度H。因此,可以建立起于磁场强度间的对应关系。这样就得到纵向场V。在磁场测量过程中,KD*P的正负极性交替出现,并被要求与CCD采样严格同步,但由于KD*P有响应时间(即有上升沿和下降沿),这一过程中KD*P不是所要求的1/4λ波片,因此会带来测量误差[3]。故此对KD*P的控制器提出了较高要求。从上述的测量原理中可以看出,加到KD*P晶体两端的高压须为理想的矩形高压脉冲序列才能保证测量结果的准确。而实际的电路系统中能够做到的就是采用合理的器件和电路,实现矩形波的延迟和上升沿时间满足测量精度要求。
原有的高压调制系统已经连续服役十多年,部分电子器件可能已经达到或超过使用期限,一方面高压波形的精度下降影响观测数据精度,而且成为故障隐患,维护代价逐年增加;另一方面新技术的发展使得可以实现波形更精确、操作更简单的高压控制系统,从而提高太阳磁场观测的精度。因此开发一套新的高压调制系统势在必行。另外,在我国正在推进的大型太阳空间科学卫星―空间太阳望远镜(SST)中,对磁分析器精度提出了更高需求[4],也促使我们要提高现有的磁分析器精度。本文所讨论的磁分析器高压控制系统,采用了新型高压模块和新的调制电路实现高精度高压脉冲序列,并加入了直流、放电等保护电路;而在逻辑控制、高压输出等接口方面,新系统完全兼容原有系统,新旧系统可以实现无缝切换。观测者根据磁场观测的要求,通过计算机向KD*P电光调制器高压电源发出各种控制信号,完成磁场观测。
1 高压调制及保护电路设计实现方法
KD*P电光调制器是用来测量太阳磁场的一种必要的物理光学器件,它需要馈入交变高压,以实现其光学滞后量的调制。怀柔太阳观测基地的磁场望远镜系统中的KD*P电光调制器要求高压电源能够输出频率0.1~100 Hz和幅值±(500~1 400 V)的可调矩形波信号。具体指标如下:
(1)电压纹波,要求矩形波顶部不规则起伏小于幅度的1/200;
(2)要求矩形波上升、下降时间小于矩形波周期的1/100;
(3)直流保护,因为长时间馈入直流高压会损坏KD*P,所以这种故障必须避免;
(4)放电保护,1 000 V以上的高压很容易造成人身和设备危害,为了操作和维护的安全性,适时放电非常必要。具体设计方案如下所述。
1.1 高压模块
采用天津某公司生产的DW-P112-15D型高压模块,该模块可以提供1 200 V,15 mA的高压。该模块采用电压控制方式——控制端输入0~5 V的低电压,在输出端输出0~1 200 V的高压,系统中采用电位器控制输出的电压值。工作过程中该模块保持高压输出状态,通过继电器得通断来控制系统输出端高压的输送与否。
1.2 高压调制电路
由栅极驱动器[5]、场效应管等构成高压调制电路,TTL电平的同步脉冲序列,通过与CCD数据采集软件的配合实现KD*P晶体光轴的反转与CCD曝光的同步。
1.3 直流保护电路
通过可再触发单稳态触发器(74HC123),脉冲边沿触发形成正常工作状态;若没有脉冲则单稳态触发器处于无触发的稳态Q端为低电平,高压输出电路被禁止。在没有控制脉冲的时候,例如:CCD相机突然断电或其他故障而不能正常工作时,保证不会将直流的高压加到KD*P晶体上,从而保护晶体[6]。
1.4 放电电路
系统中为了稳压而加入了三个47 m F 400 V的大电容,如果没有合适的放电电路这些电容中储存的电能将长时间存在。而这样的高压很容易危及操作人员和设备的安全,因此在系统中加入放电电路,保证高电压在系统断电后快速衰减非常必要。这一部分电路充分利用了系统中的单刀双掷继电器的双掷:工作状态,继电器吸合,高压输出电路正常接通工作;工作状态结束,继电器高压输出电路断开,同时连接到放电电路快速放电,从而形成有效的保护[7]。目前,系统放电电路能够在10 s之内将三个电容器中贮存的1 000 V的高压放电至30 V以下。
2 高压组合选择、输出电路设计实现方法
怀柔太阳磁场望远镜可以观测不同波长(5 324Å,4 861Å)的观测目标,而不同的观测波长又有不同的观测内容(I,Q,U,V),观测波长和观测内容的组合决定所需的高压。观测计算机根据观测波长和观测内容的组合发送高压选择逻辑到高压调制系统,系统中通过可编程逻辑器件的逻辑判别确定高压组合电路继电器的接通与断开。
2.1 逻辑判别与输出控制继电器电路
主控计算机根据观测波长和观测内容确定控制信号,通过数字I/O卡将组合逻辑信号发送给高压调制系统[8]。系统中通过可编程逻辑器件(GAL 16V8),根据输入逻辑选择工作继电器的接通与断开,实现观测内容和所需高压的对应[9]。
2.2 光耦隔离保护电路
由于系统中存在1 000 V的高压成分,为了对主控计算机进行保护,逻辑控制侧的TTL控制信号通过光耦控制现场侧的高压脉冲信号,形成从逻辑侧到现场侧的不可“逆”电路,从而保护主控计算机及其他重要的观测设备。
2.3 数据采集与KD*P同步反转电路设计
要实现磁场测量需要进行积分计算,而且要保证左旋光和右旋光的分别进行积分,然后才能根据Stokes公式计算获得太阳磁场[3],通常情况下要实现10 G的测量精度,积分的数据帧数需要达到256帧以上。磁场计算公式经简化后如下:
式中:Mag为太阳磁场;K为望远镜磁场测量的定标系数;I+和I-分别表示左旋光积分值和右旋光积分值。
因此,要保证磁场测量精度就必须要要保证数据采集和KD*P高压信号的同步。在该系统中,通过CCD自身提供的Strobe信号和数字I/O卡输出的数据采集结束信号经由74HC74进行同步形成KD*P高压的反转同步信号。
3 测试结果对比
3.1 高压脉冲波形指标对比
整个系统的要求指标为[10]:由于矩形波存在有一定的上升时间,这个上升时间一起的波形误差经过了KD*P调制器及滤光器作用,会引起出射光电流的畸变,这样会影响测量视线速度的精度,以及干扰磁场信号。因此为了保证这个系统的测量精度,要求矩形波上升与下降时间在74μs之内,也就是半波的上升下降时间在37μs之内,这相当于矩形波周期的1/100,对于电压纹波,要求矩形波顶部不规则起伏小于幅度的1/200。原有高压调制系统实测指标[2]:矩形波的上升下降时间为10~12μs,仅为T/700新高压调制系统实测指标,如图1所示。
图1为示波器测量所得输出1 000 V高压时高压脉冲信号的上升和下降沿,横坐标代表时间,每一个大格表示1μs;纵坐标代表电压幅值,一个大格代表500 V,图中显示的电压幅值为1 000 V,即脉冲幅值为1 000 V时上升沿和下降沿的时间,都小于1μs。为了能够更好地看出高压波形的上升和下降所造成的时延,分别只抓取波形的上升沿和下降沿,比较其延迟时间,从图中可以看出波形上升和下降沿总共的延迟小于2μs。
图2为示波器测量所得高压波形的纹波,为了能够清楚的显示纹波大小,在示波器上对波形进行放大,横坐标代表时间,其中每大格代表400 ns(每小格80 ns);纵坐标代表电压幅值,一个大格代表10 V(每小格2 V)。该图表明系统输出1 000 V的脉冲序列,上升沿开始1.6μs之后,纹波小于2 V。
图2可以看出除了上升沿之后的1.2μs内有4 V左右的波动之外(可能是系统中的电容效应造成),1.6μs之后平稳输出阶段的纹波幅值均小于2 V,即波动小于总幅值的1/500。从上面的实际波形测量中我们看到:高压波形的上升下降延迟时间总和小于2μs,常规观测周期一般为20~30μs,即:延迟时间仅相当于波形周期的1/1 500~1/1 000;电压纹波,波形的不规则起伏小于2 V,即波动小于高压幅度的1/500。以上指标可以看出,高压波形精度满足了系统的原始要求,在实际使用中也取得了良好的效果。
3.2 磁场数据对比
采用原有KD*P电光调制器高压系统和新KD*P电光调制器高压系统对日面上的一个活动区进行了对比观测,两次观测所得磁场数据之间的时间间隔为5 min,当天该活动区没有剧烈活动,而且天气状况稳定,认为这样的时间间隔内磁场基本无变化,可以通过比较两者的差异,比较新旧高压系统的性能优劣。
图3为新旧高压磁场数据灰度显示比较,该图显示的是太阳磁场数据,其中白色部分代表黑子磁场的正极性部分,黑色部分代表黑子磁场负极性部分。
图4为磁场数据等高线图,磁场数据按照磁场强度为20,40,80,160,320,640,960,1 280,1 600,1 920,2 240,2 560,2 880(单位:G)绘制对应于图3磁场数据的等高线图,以此对比新旧高压系统在磁场测量灵敏度方面的差异。从图3磁场灰度显示中(两幅图的显示参数设置完全一致)可以看出(b)中的黑子磁场的轮廓、边沿、内部结构等都比(a)中的对应部分要清晰。在图4磁场数据等高线图中(等高线间隔设置完全一致),图(b)中等高线的层次明显要多于图(a),在远离黑子的一些区域中,图(b)中有梯度线出现,图(a)中则根本没有。另外,取矩形框中的部分做简单对比:图(a)的等高线层次总共是4级,而图(b)中的层次则有7级。计算了两幅磁图中的最大值和最小值:原有高压调制系统测的磁场最大值450.160,最小值为-448.709;新系统的最大值为660.610,最小值为-710.741。后者的数据范围明显要大于前者。
从高压脉冲波形指标的对比中可以看出,新旧两套高压调制系统都充分满足望远镜磁场测量的要求,而新系统在波形精度指标方面比原有系统有很大提高;从实测磁场数据的比较中可以看出无论从磁场灰度图直观显示,还是从等高线图分析、数据范围[11]分析,新的高压系统测得的磁场数据都要优于原有系统。
4 结语
该调制器电源性能稳定、工作良好、与原有系统接口完全兼容、维护方便,满足观测要求。目前已经投入使用并已取得大量良好的磁场观测数据。另外,在这套系统研制过程中积累的技术和经验,为其他望远镜中电光调制器高压控制系统的研制、调试等提供了大量的资源,提高了这些系统的研制、调试效率。
参考文献
[1]艾国祥.太阳磁场望远镜的提出和工作原理[J].北京天文台台刊,1986(8):1-10.
[2]艾国祥.太阳磁场望远镜中的KD*P电光调制器[J].北京天文台台刊,1986(8):86-96.
[3]林元章.太阳物理[M].北京:科学出版社,2000.
[4]王东光.空间太阳望远境偏振分析器的设计与研制[D].北京:中国科学院,2003.
[5]IRF公司.IR2213数据手册[M].出版地不详:IRF公司,2007.
[6]胡柯良.面阵CCD导行和嵌入式系统在高时空分辨率太阳磁场观测中的应用研究[D].北京:中国科学院,2004.
[7]林佳本.高分辨太阳观测方法的研究[D].北京:中国科学院,2008.
[8]林佳本.数据采集与控制[J].今日电子,2003(10):11-13.
[9]林佳本.局部相关跟踪算法在太阳磁场观测中的应用[J].计算机工程与应用,2006(27):203-205.
[10]陈在德.太阳磁场望远镜中的KD*P电光调制器高压电源的研制[J].北京天文台台刊,1986(8):291-300.
脉冲磁场处理 篇6
1 材料与方法
本试验为随机, 单盲, 组间相互对照临床试验。
1.1 研究对象
选择2008年3月至2011年8月在我院就诊的患者, 均符合世界卫生组织 (WHO) 骨质疏松症诊断标准其中男11例, 女69例, 年龄30～70岁, 其中类风湿关节患者32例, 骨关节炎27例, 风湿痛21例。上述患者经骨密度测定均为骨质疏松症患者, 即 (T值<-2.5SD) 。排除标准, 妊娠或哺乳期妇女, 在过去5年里有肾结石, 特发性高血钙及高尿钙, 正在服用激素, 降钙素及双膦酸盐, 佩带有心脏起搏器者。
1.2 治疗方法
治疗组选用天津生产TY-DEMF-A型脉冲磁场治疗仪, 分别用10cm×30cm电极放在腰部及骶髂部, 每日一次, 每次40min, 30次为一个疗程, 共做2个疗程, 休息4个月, 治疗组与对照组每日下午晒太阳30min, 每晚慢步走30min, 每晚服钙尔奇D600mg, 持续6个月。
1.3 观察指标
1.3.1 骨痛临床症状
将患者的骨痛症状进行量代 (由同一医师评定) 采用语言描述[1] (Verbal rating scale, VRS) 评介治疗前后的骨痛症状, 即患者描述自身所感受的疼痛症状, 依据文献[2], 将疼痛分为4级, 1级为不痛或痛感不易觉察, 评委0分。2级为有明确痛感但不影响日常生活, 评委1分。3级为疼痛明显尚可忍受, 评为2分。4级为疼痛难以忍受, 评为3分。依照该评分法对患者治疗前后进行评分。
1.3.2 骨密度测定
采用美国GE双能X线骨密度测定仪, 型号DPX-NT, 测量腰椎1～4, 双股骨颈的骨密度 (BMD) 骨密度测量结果采用T积分 (T-SCORE) 是用受检者的骨密度值与同性别正常青年人的骨密度平均值进行比较。即T-积分= (受检者BMD值-青年人BMD均值) /青年人BMD标准差, 含义为受检者的BMD比青年人BMD均值低或高几个标准差。按世界卫生组织标准, 当T-积分在-2.5以下时可诊断为骨质疏松。
1.3.3 生化指标的变化
治疗前后患者均测血钙, 血磷和血ALP。
1.4 统计学处理
应用SPSS13.0软件进行统计分析, 计量资料以均数±标准差表示, 采用t检验, P<0.05表示差异有统计学意义。
2 结果
2.1 临床症状改善情况
治疗组治疗前疼痛评分为 (1.84±0.39) , 治疗6个月后为 (0.89±0.24) , 疼痛明显缓解 (P<0.05) 。对照组治疗前疼痛评分为 (1.72±0.36) , 治疗6个月后为 (1.67±0.43) , 疼痛略有减轻, 但无统计学意义 (P>0.05) 。
2.2 骨密度变化
治疗组治疗6个月后骨密度明显增加 (P<0.05) 对照组治疗6个月后骨密度略有增加, 但无统计学差异 (P>0.05) 。治疗6个月后治疗组骨密度明显高于对照组 (P<0.05) , 见表1。
注:同组治疗前后自身比较, *P<0.05;治疗前后组间比较, #P<0.05
2.3 治疗前后生化指标变化 (表2) 。
注:同组治疗前后自身比较, *P>0.05
3 讨论
骨质疏松症是指低骨量和骨组织微细结构改变破坏的一种全身性骨骼疾病, 致使骨的脆性增加和容易发生骨折, 本病分为原发性骨质疏松和继发性骨质疏松。原发性骨质疏松分为2型。 (1) 绝经后骨质疏松; (2) 老年性骨质疏松。继发性骨质疏松包括疾病, 药物, 器官移植等原因所致。骨质疏松症是一个静悄悄发生的疾病。较轻时常无症状, 往往偶因摄椎体X线片而被发现有陈旧性椎体压缩性骨折, 或直到发生了疼痛性脊椎骨折, 出现髋部或腕部的骨折才被察觉, 椎体骨折严重时会导致老年人腰背疼痛, 弯腰驼背, 身高缩短, 股骨颈骨折能致残疾发生, 严重影响生活质量[3]。随着老龄化社会的到来, 原发性骨质疏松症的发病率正呈逐渐上升的趋势。在世界常见慢性病中已跃居第7位, 成为严重威胁人类健康的严重公共卫生问题, 有其导致的一系列并发症给家庭和社会带来沉重负担[4]。在日常生活中尽量减少导致骨质疏松的危险因素, 避免长期大量饮酒, 吸烟, 过量饮用咖啡因或浓茶, 避免体质量过低。适当运动, 多晒太阳, 补充钙及维生素D, 可防治骨质疏松症[5]。保持适当的运动负荷能较好地改善和维持骨结构, 对于未成年人骨骼有利于增加峰值骨量, 对于成年骨骼有利于维持骨量, 减少骨量流失[6]。必要的日照时间, 有利于合成内源性维生素D, 促进钙吸收。钙是维持骨骼健康的重要营养素, 更是骨质疏松患者的重要营养素, 也是人体矿物质中含量最多的元素。在人整个生命期骨重建过程中骨形成期所必需的元素。体内钙总量的99%储存于骨骼内[7]。脉冲磁场刺激骨骼及周围神经肌肉。产生如下磁生物效应: (1) 成骨细胞活性增加, 提高成骨能力, 促进骨的重建和再建。 (2) 改善骨微细结构, 增加骨密度, 提高骨的生物力学特性。 (3) 改善骨代谢, 抑制钙磷的流失, 促进骨骼对钙的吸收。 (4) 调节神经肌肉, 增加肌动力。 (5) 降低神经兴奋性, 对炎症有抑制作用, 显著地镇痛, 消除水肿[8]。故适当运动, 必要的日照时间, 补充钙剂, 做脉冲磁场疗法, 能有效治疗骨质疏松症, 避免骨折的发生。
摘要：目的 观察脉冲磁场疗法治疗骨质疏松症的疗效。方法 将80例骨质疏松症患者随机分为2组;治疗组40例, 每日晒太阳30min。每晚慢步走30min。每日服钙尔奇D600mg, 共6个月, 同时每日做脉冲磁场疗法1次, 共60次, 休息4个月。对照组, 每日晒太阳30min, 每日慢步走30min, 每日服钙尔奇D600mg, 共6个月。治疗前后分别做骨密度测定。结果 治疗组骨密度增加明显。好于对照组 (P<0.05) 。结论 脉冲磁场疗法治疗骨质疏松症疗效好。
关键词：脉冲磁场疗法,骨质疏松症,钙尔奇D,骨密度
参考文献
[1]吴在德, 吴肇汉.外科学[M].6版.北京:人民卫生出版社, 2003:129.
[2]胡新永, 吕原, 杨华清, 等.糖皮质激素对膝关节周围成骨细胞一氧化氮合酶和骨重建的影响[J].中华损伤与修复杂志 (电子版) , 2008, 3 (3) :439-444:.
[3]蒋明, 林孝义, 朱立平.中华风湿病学[M].北京:华夏出版社, 2004:1300.
[4]蒋琦, 魏杰, 谢咪雪, 等.亚健康与原发性骨质疏松症[J].中国骨质疏松杂志, 2012, 18 (6) :573.
[5]施桂英.关节炎概要[M].北京:中国医药科技出版社, 2005:512.
[6]殷明月, 聂四平, 甘春芳.贵阳地区709例男性超生跟骨强度及影响因素调查[J].中国骨质疏松杂志, 2012, 18 (6) :527.
[7]吴坤.营养与食品卫生学[M].5版.北京:人民卫生出版社, 2003:184-185.
脉冲磁场处理 篇7
1 资料和方法
1.1 临床资料
本组60例患者中, 男性21例、女性39例, 年龄54-83岁, 症状:60例患者均有3-10年以上不同程度的骨痛病史, 其中腰背痛32例、髋膝痛17例、颈肩痛4例、全身骨痛3例、驼背2例、骨折史2例, 临床检查:患者疼痛区均有不同程度的压痛及叩击痛、活动度受限, 严重者有脊柱侧弯、圆背畸形。根据患者的疼痛程度分为3级;1级轻度疼痛:能够忍受、不影响日常生活和工作;2级中度疼痛:程度较重, 持续时间长, 但尚能坚持轻工作, 生活自理;3级重度疼痛:难以忍受, 甚至夜不能眠, 不能坚持工作, 生活自理困难。60例骨密度测定示骨量减少 (法国CHONOS双能X线骨密度仪检测) 确诊为骨质疏松症。
1.2 方法
60例患者均应用天津希统电子设备有限公司生产的XT-2000B型骨质疏松治疗仪产生的复合脉冲电磁场 (C-PEMFs) 进行治疗, 我们根据患者病情的不同程度选择合适的磁场强度、频率和疼痛区驻留时间, 每次治疗40min。每日一次, 10次为一疗程。治疗30次后复查:记录治疗后病情状况、检查、骨密度测定。疗效判断标准:无效:病情无变化、骨密度无增高;有效:疼痛程度减轻、持续时间缩短、活动能力增加、骨密度较前增高;显效:疼痛明显减轻、消失、活动能力明显增加、骨密度较前显著增高;基愈:疼痛基本消失、检查无特定阳性体征、活动功能正常、骨密度检测正常。
2 结果
2.1 统计
治疗30次后基愈3例, 占5%;显效34例, 占56.7%;有效:21例, 占35%;无效2例, 占3.3%。治疗总有效率达96.7%。
2.2 骨密度检测结果
骨质疏松患者60例治疗前与治疗后3个月的骨密度经统计学处理并进行显著性检验, 结果见附表。
3 讨论