脉冲磁场（精选7篇）
脉冲磁场 篇1
引言
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.
[4]王群, 胡大为, 范志民等.脉冲强磁场对小鼠移植性实体瘤杀伤作用的研究[J].白求恩医科大学学报, 1999, 1 (25) .[4]王群, 胡大为, 范志民等.脉冲强磁场对小鼠移植性实体瘤杀伤作用的研究[J].白求恩医科大学学报, 1999, 1 (25) .
高能脉冲磁场测量仪的设计 篇2
最早的磁场探测器已有2000多年的历史,通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航。随着现代科技的进步,磁场传感器的应用越来越广泛,磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。根据测量磁场类型,磁场测量装置分为:静态磁场测量仪、动态(交变)磁场测量仪;根据所测磁场能量大小,可分为:极弱磁场测量仪、中强度磁场测量仪、高能磁场测量仪。目前大部分装置主要用于测量静态磁场,并能对不同能量的静态磁场进行准确的测量;但动态磁场测量水平仍存在一定的技术差异,并且由于技术、成本等诸多因素,较少有高能、交变装置产品研发出来;对于动态磁场的测量,主要分为基于霍尔效应探头和基于磁场探测线圈探头的测量方式。
霍尔传感器目前应用最为广泛,目前国内外较常用的高斯计主要应用的就是霍尔传感器(精度更高可选择磁通门传感器),但霍尔传感器灵敏度有待提高、并且霍尔片有一定的响应时间,对于高频交变磁场不能准确测量;磁通门传感器精度较霍尔传感器更高,但测量范围非常小,仅能达到1 0-1 2 T,对高能高频脉冲磁场也不能进行准确测量。因此,提高交变磁场的测量范围,应着手提高霍尔片的性能,减小效应时间,国外在这方面研究较多,已经有性能非常好的霍尔传感器,但由于造价较高等诸多因素未能形成较好的产品;国内这方面的研究起步较晚,未能较好的解决这一问题,虽然国内部分厂家(如乐真科技)生产了测量脉冲电磁场的仪器,但是测量的频率范围(<5khz)和磁场强度范围(<1000GS)在一些应用场合中都达不到相应的要求。探测线圈测量装置主要是利用电磁感应原理,通过线圈的电动势测量动态磁场,但是运用探测线圈测量的设计方案中存在系统误差,如线圈的电阻、测量感应电动势引入电阻等问题,所以只能在一定范围内进行准确的测量。
脉冲磁场的应用非常广泛,在医疗卫生(如治疗肿瘤、防治骨质疏松)、工业生产、科学研究、武器装备等诸多领域有着重大应用。对于精度要求较高的场合(如武器装备),相应的测量仪器价格十分昂贵,本设计在测量精度、成本方面综合考虑,能在一定程度上解决造价与精度无法同时满足的问题;在其他对精度、测量范围有一定要求的许多领域,如许多涉及到脉冲磁场的科学研究、工业生产的领域,脉冲电磁场的测量也非常普遍,目前能满足多数测量需求的测量仪器,只在国外市场上有,并且仪器价格非常高,不符合国内许多应用场合的实际需求。因此,研制宽频、高精度的高能脉冲磁场的测量仪就显得意义重大符合工业发展对电磁测量技术的急需要求,具有重要的理论意义和实用价值。
2 测量仪设计
2.1 总体设计方案
高能脉冲磁场测量仪能够用于对静态、高能脉冲、高频交变磁场的多参数测量,包括数据采集、程控放大、触发模块、数据处理、人机交互、电源等电路模块以及上位机处理软件等。FPGA逻辑时序控制强,采集速度快,可应用于本方案的高频信号采集,拟使用FPGA作为高速数据采集的控制核心;ARM分析运算能力强,适合处理数据,所以采用A R M处理采集所得的数据,并控制模块间的通讯。人机交互部分采用键盘输入和液晶输出方案,以提高可操控性和实现描绘磁场曲线的功能。
其总体结构框图如图1所示。
在图1中,探头采用感应线圈或者霍尔探头,负责测量磁场强度,一般输出为微弱的电流信号。该信号经程控放大成电压信号后,经数据采集电路采集并暂存在FPGA内部。ARM对该数据进行处理,并通过液晶进行显示。其中程控放大部分为实现自动测量使用的,目的是为了得到合适的放大倍数;触发模块分为外触发和内触发,外触发采用边沿触发方式,可以保证磁场测量的同步性。FPGA负责整个电路的时序控制和数据暂存。ARM用来进行数据的处理、显示、存储以及人机交互等。另外,测量的数据可以通过串口上传到上位机,便于上位机进行数据处理。
2.2 主要功能及应用环境
高能脉冲磁场测量仪采用感应线圈或高速霍尔元件进行测量,主要能够达到以下功能:
(1)能够测量高频变化的脉冲磁场,频率范围宽;
(2)能够测量交变磁场,测量频率高;
(3)具有自动调零功能;
(4)用户可以自主控制显示单位的变换(GS、T、A/m等);
(5)通过液晶实时描绘磁场测量曲线,方便对动态磁场进行分析;
(6)能够存储测量曲线数据,以便对动态磁场进行分析;
(7)能够自动测量磁场的频率、峰值、峰值时间、持续时间等;
(8)具有超量程延时报警功能;
另外,本磁场测量仪还能实现以下附属功能:
(1)能够测量静态磁场,测量精度高;
(2)能够测量磁场的方向;
(3)能够测量并显示被测磁场环境温度,可进行多参数影响分析;
(4)具有上位机功能,能够对测量数据进行显示、分析等。
本装置能够应用于以下应用场合:
(1)继电器、接触器等电磁机构工作时的磁场测量;
(2)电磁超声换能器脉冲磁场的测量;
(3)强磁场工作环境对人体健康度影响分析;
(4)测量工频变压器漏磁场分布,分析变压器性能;
(5)各种高频动态磁场的测量场合中。
2.3 技术指标
(1)工作频率:DC~10 k Hz;
(2)测量量程:1 GS~20 000 GS;
(3)测量精度:1%;
(4)采样频率:1 MHz;
(5)自动检测:能够对磁场进行自动测量;
(6)工作温度:0℃~45℃;
(7)液晶显示:通过液晶显示测量波形;
(8)存储功能:能够自动存储测量波形;
(9)人机交互:液晶显示,按键键盘,能够显示脉冲波形,自动显示测量结果等;
(10)220 V/50 Hz交流供电或电池供电。
2.4 磁场测量探头的设计
对于脉冲磁场的测量,一般采用感应线圈或者霍尔元件实现,本课题拟采用以上2种方式进行磁场的测量。拟首先采用感应线圈对高频变化的磁场进行测量;对于频率较低的磁场,采用霍尔元件实现。
2.4.1 感应线圈
根据法拉第电磁感应定律,感应线圈置于被测磁场中,当通过线圈的磁链ψ发生变化Δψ时,则产生感应电动势е
式中t表示时间,H为磁场强度,NS为线圈常数。将上式对时间积分
假设t=0时,e(0)=0,测量e对时间的积分可以使用集成运算放大器的积分电路来实现模拟电子积分。由运放积分电路得:
联立(3)中两式,可得:
代入(2)式,整理后得到:
由此可知,测得线圈电压u0即可。
2.4.2 霍尔探头
霍尔探头是基于霍尔效应原理设计并制造的。
将一块半导体或导体材料,沿Z方向加以磁场,沿X方向通以工作电流Is,则在Y方向产生出电动势EH,如图2所示,这现象称为霍尔效应。EH称为霍尔电压。
实验表明,在磁场不太强时,电位差EH与电流强度I和磁感应强度B成正比,与板的厚度d成反比,即
式(6)RH中称为霍尔系数,式(7)KH中称为霍尔元件的灵敏度,单位为mv/(m A·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子(N型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
2.4.3 程控放大模块
为了精确测量不同幅值的信号,需对信号进行不同倍数的放大。本课题拟通过模拟开关把运算放大器的放大倍数设计为需要的放大倍数。其放大倍数采用软件灵活控制。图3为程控放大器原理图。程控放大电路由两级同相比例放大电路组成,每一级的放大倍数由模拟开关的接通状态决定。模拟开关芯片选择DG211。DG211是4通道模拟开关,具有使用简单、导通阻抗小的特点。INi管脚控制Di通道的通断(i=1~4)。运算放大器采用LF356,它具有增益带宽积高、不易振荡等特点,非常适合本电路。
2.4.4 触发模块
本课题拟设计的高能脉冲磁场测量仪可以通过以下三种方式触发采集:
(1)自动触发方式
在此方式下,可以通过人机交互界面控制采集时间,通过FPGA自动触发采集,适用于直流磁场、交流重复出现的磁场测量。
(2)电平触发方式
通过人机界面设置触发电压和触发沿,当磁场信号满足电平触发条件时,触发装置开始采集。适用于脉冲磁场、交变磁场、间断出现的磁场等的测量。
(3)外部同步触发方式
通过外部输入触发信号(如TTL或CMOS电平上升沿、下降沿等),控制装置开始采集。适用于对磁场建立时间测量较高的场合。
2.4.5 数据采集模块
数据采集电路采用12位模/数转换芯片AD7892对磁场信号进行高速采样,A D 7 8 9 2的转换速度可达600k Hz,输入信号的幅值可达±10V,单电源供电,高速完全满足本题目要求。其典型应用电路如图4所示。
2.4.6 数据处理模块
本方案拟采用ARM最小系统作为数据处理模块。
A R M最小系统完成测量仪的控制和数据分析功能。A R M最小系统由A R M微控制器,时钟芯片DS12887,JTAG调试端口和电源组成。采用意法半导体公司开发的具有最新ARM内核CORTEX-M3的芯片STM32F103作为主处理器芯片。它具有成本低,性能高的特点。内核频率72MHz,配有32位乘法器并能够完成单周期乘除法,完成1024点快速傅立叶变换只需几百毫秒。
CORTEX-M3内核的另一大特点是低功耗,全速运行时的功耗仅为0.19m W/MHz,内核电压1.8V,芯片供电电压为3.3V。调试端口兼容JTAG和SWJ-DP两种方式。
2.4.7 人机交互模块
采用彩色液晶显示屏实时输出图像与数据,使用按键选择不同的功能,能够选择显示曲线、切换显示单位,输出脉冲磁场各项参数(峰值、峰值时间等)。
2.4.8 电源模块
电源模块是实现其他功能的基础。
根据使用要求220V/50Hz交流供电,对外接电源需要进行降压、整流、滤波、稳压、散热等处理,仪器内部由于各部分使用电路和芯片不同,需要的电压也不同,因此还需要调压等操作,以达到提供不同模块所需电压要求。图6为电源模块的设计流程。
当到野外现场进行测量时,由于没有交流电提供,所以需要电池供电模块的设计,使工作环境得到扩大。
对于各部分模块使用的额定电压不同的情况,本方案选用7 8 D 0 5、A M S 1 1 1 7-3.3、A M S 1 1 1 7-2.5和AMS1117-1.2为FPGA、ARM等提供5V、3.3V、2.5V和1.2V的电压,电路图如图7所示。
2.4.9 上位机模块
本方案采用Visual C++6.0编写上位机软件,主要实现数据的采集、处理、显示、存储等。
3 测量仪实验室研发及调试
测量仪的实物图如下:
本设计能够实现高能脉冲磁场的测量功能,可以进行自动测试,还具备测量静态磁场与动态脉冲磁场两项功能,而且测量频带宽,测量精度高。测量中可以对测试数据进行保留、调用、图像暂存与输出,同时可以通过使用USB接口连接电脑输出测量数据。极大地方便了操作者使用。
4 结束语
在涉及到脉冲磁场的科学研究、工业生产的领域,脉冲电磁场的测量非常普遍,为满足国内许多应用场合的实际需求,研制宽频、高精度的高能脉冲磁场的测量仪就显得意义重大。本设计能够实现高能脉冲磁场的测量功能,还具备测量静态磁场与动态脉冲磁场两项功能,而且测量频带宽,测量精度高,使用方便,符合工业发展对电磁测量技术的急需要求,具有重要的理论意义和实用价值。
摘要：对磁场的各项参数的测量是电磁场研究中的重要一环,常见磁场测量仪器可完成直流磁场测量,但这些产品无法测量交流磁场,无法准确获知交流磁场各项参数。如今的交流磁场测量通常不单独形成产品,而是与直流测量共同构成交直流高斯计。然而大多数交直流高斯计只能简单测量其平均值,所以研究脉冲磁场的测量与处理具有重要的理论意义和使用价值。本设计中高能脉冲磁场测量仪能够用于对静态、高能脉冲、高频交变磁场的多参数测量,包括数据采集、程控放大、触发模块、数据处理、人机交互、电源等电路模块以及上位机处理软件等。本设计中使用FPGA作为高速数据采集的控制核心、使ARM处理采集所得的数据,键盘和液晶作为人机交换部分的输入与输出。
关键词：电磁场,高能脉冲磁场,交流磁场,磁场参数,STM32F103,ARM
参考文献
[1]薛永亮,陈斯文.地面磁场测量仪[C].第二十四届全国空间探测学术交流会论文集,2011.
脉冲磁场 篇3
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 篇4
关键词：取向硅钢,脉冲磁场退火,初次再结晶,晶粒长大,电子背散射衍射
0 引言
冷轧硅钢作为一种重要的软磁材料, 其生产销售量逐年增长, 尤其是高磁感取向硅钢因其轧向特高磁感和低铁损特性, 广泛应用于有方向性的变压器中。冷轧硅钢生产流程复杂, 能耗高, 技术要求高, 原因在于二次再结晶过程中要控制得到异常长大的高斯取向织构, 而其生长行为还与初次晶粒分布密切关系[1]。磁场退火作为近年来备受关注的一种新型热处理技术, 它能够影响硅钢初次再结晶织构的形成, 并为高斯晶粒创造有利的初次晶粒环境, 而最终提高成品磁性能[2,3]。本研究将创新性地在冷轧取向硅钢热处理过程中施加脉冲磁场。脉冲磁场与稳恒磁场具有很大的相似性, 但也有很大区别, 脉冲磁场可瞬间形成强磁场, 具有间歇式、大能量密度的特点, 其产生设备较简便, 能长时间工作, 能耗较低, 能对较大尺寸样品进行处理;但是脉冲磁场下软磁材料在磁化和退磁过程中反复进行动态磁致伸缩, 可能对材料内部应力、位错移动、原子扩散等产生巨大影响, 从而影响初次再结晶组织织构, 而且磁场施加方向的不同也将影响晶粒的再结晶和生长[4,5,6,7]。本实验拟在冷轧取向硅钢进行不同时间的热处理过程中施加不同方向的脉冲磁场, 探究脉冲磁场影响冷轧硅钢初次再结晶和晶粒生长动力学的规律。
1 实验
实验材料为工业生产的一次大压下率 (87%) 的高磁感取向硅钢冷轧样品, 其化学成分为 (质量分数) :C 0.076%, Si 3.15%, N 0.0085%, Al 0.028%和Fe余量, 其抑制剂为AlN和MnS。
试验中, 对冷轧取向硅钢样品进行不同时间的磁场热处理, 采用的设备为真空磁场热处理炉。其主要由3个部分构成:脉冲电源与螺线管磁场线圈、热处理炉、炉管真空系统。
自制的高压脉冲电源通过直径Φ=70mm的圆柱形螺线管线圈产生脉冲磁场, 线圈轴向中心60mm范围产生随时间变化的无梯度的脉冲磁场, 该脉冲磁场以近似正弦函数迅速达到峰值强度1T, 之后以指数函数衰减至零, 脉冲磁场的半高宽约为50ms, 频率为0.5Hz。
磁场线圈内放置动密封管式炉, 炉膛中心放置热电偶采集炉膛中心区域的温度并控温。炉膛中心部位位于磁场线圈中心, 轴向均温区达80mm, 炉膛外的炉管中温度近似为室温。炉管内放置可移动推拉杆, 并在推拉杆上使样品以3种方式放置:样品轧向平行于磁场方向、样品横向平行于磁场方向和样品法向平行于磁场方向。实验时, 各样品以3种不同方式装夹在推杆架上, 将炉管密封, 抽真空后充入高纯氩气保护, 待热处理炉到达设定的温度700℃后将样品推入炉膛中心, 并计时, 始终用高纯氩气保护, 待处理不同预定退火时间t后将样品拉出炉膛, 在保护气氛下冷却至室温。不施加磁场的样品编号为700-0T (称为OS) , 沿轧向 (RD) 、横向 (TD) 和法向 (ND) 施加脉冲磁场退火的样品分别编号为700-1T-RD (MR) 、700-1T-TD (MT) 和 700-1T-ND (MN) 。具体实验参数见表1。
EBSD的样品要求先用细砂纸磨去表面氧化层, 等露出金属光泽后再采用电解抛光, 所用的电解液是800mL的冰醋酸+200mL的高氯酸。初始腐蚀电压为15V, 抛光时要反复多次, 每次的时间不要太长, 约为20s, 每次电解抛光后立即用清水冲洗, 再用酒精清洗, 然后烘干, 重复以上电解抛光, 直到硅钢样品表面平整、光亮、干净, 且抛光后初始样品次表层 (初始厚度的1/10处) 裸露在外。试样尺寸为10mm (TD) ×12mm (RD) 。
2 结果与讨论
图1-图4为通过EBSD技术扫描的晶粒组织图, 区分不同晶粒时设置的晶粒间取向差角为10°, 其直观显示了不同热处理时间后样品中再结晶晶粒的分布状况。由图1-图4可见, 随着热处理时间的延长, 样品的平均初次再结晶晶粒尺寸逐渐增大。当热处理时间相同时, 施加脉冲磁场后的样品中存在更多更为细小的晶粒。
总体看来, 热处理16min与32min的样品有比较明显的沿轧向排列的细小晶粒带, 尤其是热处理16min的样品, 这主要是由于冷轧变形带之间的晶界处冷轧储存能量较大, 使热处理初期形核率较高, 而其周围大晶粒的长大不够充分, 保留了细晶带组织。随着热处理时间的延长, 晶粒正常长大, 细晶带组织基本消失。但是, 相同热处理时间下, 施加脉冲磁场处理的样品中细晶带组织消失得更为缓慢, 这可从图3和图4 (b) - (d) 明显看出。
对各样品中所有晶粒进行晶粒尺寸 (等面积法求直径) 的统计, 得到基体平均晶粒尺寸随时间的演变曲线, 如图5所示。由图5可见, 相同热处理时间下, 施加脉冲磁场处理的样品的平均晶粒尺寸更小, 说明脉冲磁场能够抑制晶粒的再结晶及正常晶粒长大。当处理16min时, 各冷轧样品处于再结晶完成初期, 沿横向施加脉冲磁场使样品的平均晶粒尺寸较OS、 MR与MN大幅降低, 从图1 (c) 可知, 这源于样品中细晶粒密集, 可以推断沿横向施加脉冲磁场能大幅提高晶粒的形核率。之后随着热处理时间的延长, 晶粒尺寸呈现一定的规律, 即相同热处理时间下, 晶粒的平均尺寸由大到小依次为OS>MT>MR>MN, 可见总体看来, 在晶粒正常长大阶段, 沿法向施加脉冲磁场抑制晶粒长大的作用最大。
平均再结晶晶粒尺寸与退火时间的关系可以用幂函数经验公式[8]来描述:
D=c·tn (1)
式中:c和n是与时间无关的参数, c强烈地取决于温度, n则是反映晶粒长大的动力学参数。式 (1) 适用于Df≫D≫D0, 其中Df是指一定温度下可得到的最终极限尺寸。通过700℃热处理该冷轧取向硅钢5h测得的晶粒尺寸约为14μm, 而且其中混晶现象仍比较明显, 较大晶粒仍有进一步长大的趋势, 所以对于此冷轧硅钢, 一方面, 其初次再结晶晶粒在700℃时的极限晶粒尺寸大于14μm;另一方面, 在热处理4min时其基本完成再结晶时的初始等轴晶粒尺寸约为5.8μm[9]。本研究中热处理后样品的晶粒尺寸符合式 (1) 的应用条件, 故可以将各不同热处理条件下的晶粒长大动力学曲线进行幂函数拟合, 考察脉冲磁场对再结晶晶粒长大动力学的影响。
幂函数拟合的结果如表2所示, 动力学曲线如图6所示。对比式 (1) , 由表2可知, MN的晶粒长大动力学参数n最小, 其次为MR, 可见沿法向和轧向施加脉冲磁场会阻碍晶粒的进一步正常长大, 而MT与OS相比, 晶粒长大动力相差较小。c反映的是温度因素决定的初始晶粒的尺寸, 温度越高, 则c越大。MR和MN的c值都略大于OS的c值, 可见沿轧向和法向施加脉冲磁场一定程度上相当于升高一定的热处理温度, 这主要源于施加磁场后再结晶硅钢样品内除了热能外还有磁能的叠加作为晶粒长大驱动力。而MT的c值小于OS的c值, 应该主要源于沿横向施加脉冲磁场大幅促进硅钢的再结晶形核, 使得初始再结晶晶粒比较细小, 抵消了脉冲磁场形成的晶粒长大磁能驱动力的影响。
3 结论
冷轧硅钢再结晶完成初期 (16min时) , 沿横向施加脉冲磁场能大幅提高冷轧硅钢基体晶粒的形核率而且晶粒细小。晶粒正常长大阶段, 相同热处理时间下, 基体晶粒的平均尺寸由大到小依次为OS>MT>MR>MN, 表明施加脉冲磁场能够抑制晶粒的再结晶及正常晶粒长大, 而且沿法向施加脉冲磁场抑制晶粒长大的作用最大。此外, 脉冲磁场作用下的基体晶粒的生长动力学模型可用异速生长幂函数建立。
参考文献
[1]Xia Qiangqiang (夏强强) , Li Lijuan (李莉娟) , et al.Re-search progress of the grain-oriented silicon steel productionproces (取向硅钢生产工艺研究进展) [J].Mater Rev:Rev (材料导报:综述篇) , 2010, 24 (3) :85
[2] Kumanok T, Haratani T, Ushigami Y.The relationship be-tween primary and secondary recrystallization texture ofgrain oriented silicon steel[J].ISIJ Int, 2002, 42 (4) :440
[3] Hayakawa Y, Kurosawa M.Orientation relationship be-tween primary and secondary recrystallized texture in elec-trical steel[J].Acta Mater, 2002, 18 (50) :4527
[4] Klamecki B.Residual stress reduction by pulsed magnetictreatment[J].J Mater Process Techn, 2003, 141 (3) :385
[5] Cai Z, Lin J, Zhao H, et al.Orientation effects in pulsedmagnetic field treatment[J].Mater Sci Eng A, 2005, 398 (1-2) :344
[6] Cai Z, Huang X.Residual stress reduction by combined trea-tment of pulsed magnetic field and pulsed current[J].MaterSci Eng A, 2011, 528 (19-20) :6287
[7] Prasad S N, Singh P N, Vakil Singh.Influence of pulsatingmagnetic field on softening behavior of cold rolled AISI 4340steel at room temperature[J].Scr Mater, 1996, 34 (12) :1857
[8]葛列里克S S, 阿芬艾塞耶夫V (苏) .金属和合金的再结晶[M].仝健明, 等, 译.北京:机械工业出版社, 1985:101
脉冲磁场 篇5
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.
井下大功率脉冲电磁场源的设计 篇6
关键词：过套管电阻率测井,瞬变电磁,电磁勘探,采收率,油藏动态监测
目前国内的大部分油田都已经处于勘探开发的中后期, 为了稳产增产并有效降低勘探开发成本, 对现有生产井的剩余油动态监测就显得越来越重要, 而过套管电阻率测井能提供直接参考依据。开发和利用先进技术进行开发油藏的动态监测, 实时了解水驱或汽驱油层中油水或油汽界面的变化, 提高油气田开发的采收率, 实现在资源有限的情况下增储上产与稳产挖潜等都有要重要意义。在不同的开发阶段, 通过对比开发不同时期目的层的电阻率变化, 可以清楚地了解地下油藏的开采状况, 特别是油藏开采的中后期, 由于注水或注气的影响, 我们需要比较直观的了解油藏运移走向, 为下一步油气开采提供相关可靠地依据。众多的电磁方法中, 时间域电磁勘探方法具有分辨率高、抗干扰能力强和生产成本低廉等特点, 特别是瞬变电磁法 (TEM) 对电性层的反映更灵敏, 是勘探阶段进行构造的含油气性预测与评价和开发阶段进行油气藏动态监测的首选方法。
一、基本原理
瞬变电磁法也称时间域电磁法 (Time domain electromagnetic methods) , 简称TEM。瞬变电磁法的勘探原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流, 产生一个瞬变的电磁场, 该磁场垂直发射线圈向两个方向传播, 基本原理就是电磁感应定律。利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场间歇期间, 利用线圈或接地电极观测二次涡流场。该方法具有分辨能力强、工作效率高等特点, 使得它在当前的水文地质和资源勘探以及在高阻围岩中寻找低阻地质体中作为首要的方法广泛使用。
大功率脉冲电磁场源的设计思想有两种, 其中一种是将发射源放于井中, 电磁脉冲接受传感器放于与发射源相距较近的邻井中, 也称井间系统, 这样可以大大的提高探测半径和分辨率, 使测量装置在纵向上更接近异常体, 增大观测到的异常信号强度, 并且可以根据现场需要, 在异常体的不同高度进行勘探, 更加清楚的了解两口邻井区域的油藏动态, 此外, 井中观测具有分辨率高、体积效应小、旁侧影响小以及测量快速等诸多优点, 还可以降低覆盖层等不均匀体对观测结果的影响, 减小干扰因素, 用于精细电性结构地质体勘探;另外一种是将发射源发在井中, 在地面进行信号采集, 也称井地系统, 这样可以清楚的了解工区内纵向上的地质体异常和油藏动态。井间和井地系统的结合使用, 效果最佳, 这样可以更加清楚的了解整个工区内的地质体异常和油藏动态。
二、整体设计思路
过套管电阻率大功率瞬变电磁脉冲测井系统由地面部分和井下部分组成。地面部分包括电源、控制器及电压转换;井下部分从前到后依次设有交流电升压模块、整流模块、高压充放电开关和控制器、大容量电容器、发射线圈, 这样它可以在套管井中实现瞬时大功率的脉冲磁场激发。具体如下图所示。
地面部分的功能主要是将地面的电压传输到井下, 井下部分作为大功率脉冲场源的核心, 主要是完成电压的升压, 整流并完成充放电的控制与信号的采集。大功率脉冲电磁场源的关键是精确控制充放电的电压——频率 (Time-Frequency, 也称V-F) 曲线, 实现对储能电容器的平稳且快速充电。除此之外, 还要对其他的功能模块进行相关参数的调节与设置。充放电开关的设计能保证放电过程迅速完成, 另外为了防止大功率脉冲场源长时间在同一位置的充放电造成地层的极化, 充放电开关还可以实现充放电的换向功能。
结论
经过在实验室的理论研究与试验, 证明脉冲电磁场是可以穿过金属套管, 并不能完全被金属套管屏蔽, 这样为大功率脉冲电磁场的下井提供相关的实验和理论支持, 证明该设计方案是可行的。
参考文献
[1]张辉井中瞬变电磁大功率脉冲场源设计[硕士学位论文].荆州:长江大学, 2011.
[2]王军民, 胡文宝, 徐振平金属套管内电磁场激励与实验室测量[J].石油天然气学报2008, 30 (2) .
[3]严正国, 张家田, 包德州等过套管电阻率测井模型机模拟井实验研究[J].测井技术, 2011, 35 (3) ;215-217.
[4]王军民大功率井中瞬变电磁场源研究[D]:[博士学位论文].武汉:中国地质大学, 2008.
[5]宋汐瑾, 党瑞荣, 郭宝龙, 王学龙井中磁源瞬变电磁响应特征研究[J].地球物理学报2011年4月, 第4期.
脉冲磁场 篇7
关键词：脉冲磁场,激励源,磁声耦合成像,分辨率
1 引言
感应式磁声耦合成像是近年提出的一种新的成像方法[1]，该技术集成了EIT的功能参数高对比度与超声成像高空间分辨率的优势。与传统电阻抗成像相比，该方法具有磁场激励源不受体表低电导率组织屏蔽效应影响、逆问题良态、重建算法相对简单等优点，目前已经成为功能成像领域一个新的研究热点[2]，国内外有很多研究机构对该方法展开研究。然而，目前的研究主要处于理论模型和模拟仿真阶段，相关的实验研究并未深入开展[3,4,5]。
磁声耦合成像系统中，激励源是激发超声信号的关键部分，其性能参数将影响成像质量及成像分辨率，同时也关系到后续成像算法的设计。因此，本文对感应式磁声耦合成像实验系统中的脉冲磁场激励源进行研究和设计，为下一步开展实验研究打下基础。
2 方法
2.1 基本原理
如图1所示，感应式磁声耦合成像的基本原理是，对置于稳恒磁场中的导电介质，施加同方向的脉冲磁场，在电磁感应作用下，介质内部将感生出涡流，涡流受到洛仑兹力的作用，产生瞬间的位移，形成声波振动，并且振动的频率与外加脉冲磁场频率相同。此时，在导电介质外利用声波换能器即可检测到声波响应，再结合相应的图像重建算法，即可重建出电特性(如电导率)分布的图像[1,2,6,7]。生物组织是电介质，不同的生物组织及同一组织在病变情况下其电特性会发生变化，感应式磁声耦合成像方法目的在于得到生物组织内电特性的信息，从而实现早期的功能诊断。
由电磁学和声学理论可知，声压大小与稳恒磁场、脉冲磁场、电介质参数密切相关[1]：
其中，，为超声在组织介质中的传播速度，ρ0为介质密度，βs为绝热压缩系数，p为声压，J为电流密度，B0为稳恒磁场。
由(1)式可以推导得出，在已知稳恒磁场和脉冲磁场的情况下，对于一个电导率参数分布确定的介质，声压大小与电导率的梯度有关，即振动声源位于介质内电导率变化的界面处强度较大。换能器在介质外部检测到的超声脉冲信号随时间的变化曲线，反映了沿此传播方向上介质内部电导率的变化。因此，通过位于介质外换能器检测的声信号即可得到沿传播方向的电导率界面的位置。
已有研究表明，MAT-MI的成像分辨率与脉冲宽度有关，而且其正比于声速与脉冲宽度之积[1,2,3]。为了能够获得更高分辨率的组织电导率分布图像，理想情况下脉冲磁场的激励信号应采用变化斜率很大且脉宽很窄的波形。考虑对介质内大小为Δl的目标(如组织中的肿瘤)成像，则由换能器检测到成像目标边界的前后2个信号脉冲，如图2所示，设其间隔为Δt，有：
其中，cs为超声在组织中的传播速度。
设激励脉冲宽度为w，为了能够清晰分辨成像目标边界，应保证前后脉冲不产生交叠，即Δt>(w/2+w/2=w)。当成像分辨率为1.5 mm时，若cs=1 500 m/s，则信号脉冲宽度应满足w<1μs。
除分辨率外，实际应用中实现的波形还要受限于技术手段及脉冲磁场激励源的造价。本研究中激励源使用函数发生器产生μs级的脉冲信号进行模拟实验，该波形信号经过功率放大后，加载到放电线圈上产生磁场脉冲信号，即可实现脉冲磁场的激励。
2.2 激励源设计与仿真
磁声耦合成像使用激励脉冲起始点作为同步触发信号、同步接收超声信号。为方便声探头的检测及后续的信号处理，激励源采用单频率正弦脉冲作为磁声耦合成像激励源的激励信号。
由函数发生器产生脉冲信号，经过功率放大后输出到放电线圈，生成脉冲磁场，考虑到功率放大器的允许电流范围，在线圈上串联限流电阻。
根据毕奥-萨伐尔定律可知，线圈附近空间任一点的磁场磁感应强度为[9]：
其中，B为磁感应强度，μ0为真空中的磁导率，d l为沿线圈的任一电流元，I为流经线圈的电流，r0为线圈半径，r为空间任一点的积分矢径。(3)式表明，线圈附近的磁感应强度决定于流经线圈的电流。
此外，由于放电电路中线圈电感的存在，在不同频率时，放电电路有不同的阻抗值，导致放电电路中流经线圈的电流频谱产生变化，对放电电路建立微分方程：
其中，L1、R1分别为功率放大器的输出电感和输出电阻，L2为线圈电感，R2为线圈电阻与限流电阻之和。
同时，本研究考虑到前级功率放大器的输出电流范围，为便于后级的超声换能器检测，对线圈电流进行模拟仿真，利用龙格库塔公式[10]，设正弦信号幅值A=1 V,f=1 MHz，即脉冲宽度1μs。在不同线圈电感L和限流电阻R的条件下计算线圈内电流，(电感取值范围为0.1～100μH，电阻取值范围0.1～100Ω)，得出加载在线圈上的电流信号的正负峰值电流Ipeak+、Ipeak-，中心频率fm和频带宽度B，以及流经激励线圈上的电流信号曲线，仿真结果见表1。
比较表1数据结果可知，相同电感取值条件下，随着电阻变大电流峰值变小，而中心频率变大。相同电阻值条件下，电感增加会使电流变小，且中心频率变低。考虑到功率放大器件的输出电流范围和超声换能器的频率响应，选取R2在10～100Ω，L2在0.1～10μH。
2.3 激励源脉冲磁场的测量与数据处理
为了验证以上仿真和分析结果，本研究设计制作了对应参数线圈，并对线圈加载电压信号进行测量，通过对仿真和实验结果进行比较，进而对激励源性能进行分析。
由电磁感应定律：
可得：
其中，ε(t)为感应电动势信号，Φ(t)为磁通量，B(t)为磁感应强度信号，S为霍尔线圈面积，N为线圈匝数。由(6)式可知，通过对由示波器记录的感应电动势波形信号进行积分计算，即可得到磁感应强度B随时间变化的信号波形。
2.4 线圈的设计
根据前文分析和仿真，制作了线圈，其半径为0.065 m，匝数N=3，串联限流电阻为R2，用LCR测试仪(3532-50，日置)测试线圈电感为L2=4.0μH，电阻R2=50.9Ω。对线圈加载幅值为64 V、脉宽为1μs的正弦脉冲信号进行仿真。
根据该测试参数对流经电感的电流进行模拟计算，得到的电流及其频谱如图3所示。
从图3可以看出，放电电流幅值为1.05 V，其中心频率在0.8 MHz左右。根据(3)式计算可推知磁感应强度幅值约为3×10-5T。
3 实验结果
实验中用高频任意函数发生器(AFG3252，泰克)产生脉冲信号，带宽为200 MHz，其频率范围为240 MHz，输出信号为0～±5 V。信号源输出信号由双极性放大器(HSA4101,NF)进行功率放大，功率放大器在1～10 MHz频段，输出电流为1～2 A，输出电压为20～30 V。
霍尔线圈检测的感应电动势信号，用双通道数字示波器(TDS2102，泰克)记录，霍尔线圈半径约为0.025 m，匝数N=10。由示波器记录的感应电动势如图4所示。
利用前文所述方法和式，对感应电动势信号进行处理，得出磁感应强度信号B(t)，并对其进行频谱分析，结果如图5所示。
由实验结果可知，在本研究实验条件下，线圈放电引发的磁感应信号中心频率在0.8 MHz附近，频带为1.2 MHz，脉宽为1.27μs，理论上可以分辨1.9 mm尺寸的目标，空间均匀区可以认为在半径为0.04 m的圆形区域。
比较线圈参数和测量结果，可知实验结果与仿真结果基本相符，磁感应强度仿真值与实验测量值理论误差在20%左右，分析其主要原因可能在于手工制作的实验线圈并非规则圆形，其几何尺寸存在误差，同时噪声也会对微弱信号的测量结果造成影响。
实验中测量得到的磁感应强度为3.8×10-5T，为了产生较大幅度的超声信号，以便于后续电路的检测，减小噪声的影响，可通过提高功率放大器的输出实现。
4 讨论
本研究对感应式磁声耦合成像实验系统的脉冲磁场激励源进行了设计，通过对信号波形、电路参数进行仿真，分析比较了适合于磁声耦合成像系统的脉冲磁声激励源的电路参数，并通过仿真和实验验证了激励源的性能。实验结果表明，本研究设计的脉冲磁场激励源产生了中心频率为0.8 MHz的磁场脉冲，与后续超声换能器频率特性匹配。通过调节功率放大器输出，即可满足后续放大电路的输入要求，从而可得到反映组织电参数分布的脉冲信号，利用本研究设计的脉冲磁场激励源可实现磁声耦合效应。
进一步的工作仍需深入开展，一方面，由于磁场强度随与线圈平面距离的增大而减小，由初步的实验测量可知(如图6所示)，当距离达到5 cm左右时磁感应强度峰值将减小50%，因此，对于脉冲磁场激励源，在保证脉冲磁场强度不影响匀强磁场的情况下，适当提高脉冲磁场强度，同时也可降低后续检测电路噪声对于信号的影响。事实上，利用本设计的放电电路及线圈参数，采用更高输出范围的功率放大器应该可以实现。目前国内有采用由IGBT控制的脉冲磁场发生装置[13]，其磁感应强度可达T量级，然而放电脉宽为600～700μs，在此脉宽条件下其磁声成像分辨率约为1～2 m，不能满足要求。深入研究基于IGBT等元器件的大功率谐振放电电路原理，有可能实现μs量级脉冲的大功率放电。