《新削減戰(zhàn)略武器條約(New START)》于2010年簽署,旨在減少美國(guó)和俄羅斯軍械庫(kù)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射器和核彈頭數(shù)量。該條約的實(shí)施要求監(jiān)控發(fā)射器與彈頭的數(shù)量和位置。未來(lái)的核武器削減條約很可能要求監(jiān)控彈頭與彈頭部件并且核查彈頭拆除情況。
為了在武器拆除過(guò)程中采取監(jiān)管措施,必須在不開(kāi)封的情況下查明封閉金屬容器里的內(nèi)容。西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的研究表明利用密封金屬容器的低頻電磁簽名通過(guò)是或否的方式即可核定是否存在特定部件,且不會(huì)泄露機(jī)密信息。
利用環(huán)繞的電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生穿透容器的磁場(chǎng)以獲取電磁簽名。容器內(nèi)的物體對(duì)磁場(chǎng)做出響應(yīng)生成一個(gè)響應(yīng)場(chǎng),再通過(guò)線圈阻抗的變化從外部測(cè)量響應(yīng)場(chǎng)。
利用ANSYS Maxwell進(jìn)行仿真有助于針對(duì)各種不同類型的核容器優(yōu)化線圈的設(shè)計(jì)和激勵(lì)頻率。
在2012年,美國(guó)國(guó)務(wù)院宣布“未來(lái)在制定進(jìn)一步地減少核武器的新條約時(shí),協(xié)商重點(diǎn)可能從以前的戰(zhàn)略運(yùn)載系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到對(duì)核彈頭的限制上。這就需要采用新的方案使對(duì)敏感信息的保護(hù)以及遠(yuǎn)程檢測(cè)核設(shè)備所固有的困難保持平衡。”為了覆蓋所有核材料和部件,并防止材料被轉(zhuǎn)移或替換,必須實(shí)施材料核實(shí)。在武器拆除過(guò)程中,核彈頭、钚核和第二級(jí)都被儲(chǔ)存在驗(yàn)證當(dāng)局無(wú)法打開(kāi)的密封金屬容器內(nèi),以避免泄露設(shè)計(jì)機(jī)密。驗(yàn)證過(guò)程中,必須確認(rèn)某些容器含有特定的核武器部件,避免其實(shí)際上是空的或含有用來(lái)轉(zhuǎn)移視線的非核材料。
要確認(rèn)容器是不是空的單憑輻射測(cè)量可能是不夠的,因?yàn)槭褂闷帘尾牧希ɡ玢U)就能夠隱藏核材料。
電磁簽名技術(shù)
在過(guò)去的幾十年里,PNNL開(kāi)發(fā)并演示了一種可用來(lái)快速確認(rèn)核物質(zhì)密封存儲(chǔ)器中的物體的電磁簽名技術(shù)。它由環(huán)繞式感應(yīng)線圈所生成的低頻磁場(chǎng)穿透金屬容器壁與導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)行相互作用。
鈾、钚以及鉛等目標(biāo)材料均屬于導(dǎo)電體,因此可利用線圈場(chǎng)來(lái)加以區(qū)分。容器內(nèi)物體感應(yīng)出的渦電流會(huì)在線圈端產(chǎn)生獨(dú)特的阻抗簽名。這個(gè)阻抗與很多因素有關(guān),包括容器及其內(nèi)部物體的尺寸、質(zhì)量分布、目標(biāo)方向和電磁屬性。每個(gè)包含特定部件的容器以及空容器都具有自己特有的電磁簽名。由于所測(cè)量到的阻抗響應(yīng)取決于大量參數(shù),因此其可以作為模板數(shù)據(jù)集來(lái)使用,這樣不會(huì)泄露隱藏對(duì)象的敏感設(shè)計(jì)特性。
圖1 封閉金屬容器內(nèi)各種金屬球體的仿真阻抗簽名
仿真線圈阻抗
最近該技術(shù)的功能又重新被各種驗(yàn)證和檢查應(yīng)用所青睞,因此PNNL的研究人員使用ANSYS Maxwell中的渦電流求解器高效地對(duì)容器和磁場(chǎng)的相互作用進(jìn)行建模。他們使用ANSYS Optimetrics實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的參數(shù)仿真;诜抡娴姆椒▽(duì)于這項(xiàng)工作來(lái)說(shuō)很有必要,因?yàn)槲锢順?gòu)建各種線圈的原型并測(cè)試其性能需要一定的成本和時(shí)間。而且,測(cè)試數(shù)據(jù)提供的與所含物體進(jìn)行磁場(chǎng)相互作用方面的直接信息比較有限,而這些信息又對(duì)線圈技術(shù)的成功應(yīng)用起到重要作用。Maxwell是進(jìn)行這一分析的理想選擇,因?yàn)樵撥浖^(guò)去已經(jīng)為PNNL針對(duì)類似問(wèn)題提供過(guò)精確結(jié)果。
此外,Maxwell還能從統(tǒng)一的界面訪問(wèn)2D和3D求解器。感應(yīng)線圈具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此工程師只需完整線圈和容器的一個(gè)橫截面即可使用2D仿真快速計(jì)算線圈阻抗和磁場(chǎng)。
為確定給定封閉金屬容器的線圈設(shè)計(jì)參數(shù),PNNL研究人員掃描線圈頻率并針對(duì)空容器將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化,通過(guò)這種方式仿真容器內(nèi)各種測(cè)試對(duì)象的阻抗簽名。一種情況下是AT-400R不銹鋼容器,該容器采用了雙層容器壁結(jié)構(gòu),內(nèi)壁與外壁之間有絕緣材料。
測(cè)試對(duì)象包含一系列不同直徑和金屬類型的固體金屬球。在100Hz至3kHz的范圍內(nèi)掃描線圈頻率,從而創(chuàng)建阻抗跡線。對(duì)于給定的金屬類型,最小的測(cè)試對(duì)象會(huì)產(chǎn)生最小的阻抗變化,然而最大的球體則會(huì)產(chǎn)生最大的阻抗變化。所有響應(yīng)會(huì)隨頻率的增大而趨向于圖形的中心位置。
這是因?yàn)楦哳l率的磁場(chǎng)較難穿過(guò)容器壁與內(nèi)部物體的相互作用。磁場(chǎng)圖顯示出在500Hz示例頻率下容器壁厚度對(duì)磁場(chǎng)分布的影響。正如預(yù)期的一樣,結(jié)果說(shuō)明金屬壁越厚,與容器內(nèi)物體的磁場(chǎng)相互作用就越弱。仿真技術(shù)可用來(lái)量化容器尺寸和電磁屬性的影響,并且確定利用線圈技術(shù)獲得可重復(fù)結(jié)果所要求的制造公差。
圖2 磁場(chǎng)仿真顯示不同容器厚度的影響
此外,PNNL研究人員還針對(duì)封閉容器內(nèi)不同類型的固體金屬球體仿真了線圈阻抗。這種情況下,球體盡管尺寸相同,但導(dǎo)電性卻不同。這樣就可得到一系列類似的跡線,其中,最高電導(dǎo)率產(chǎn)生最大的線圈響應(yīng),而最低電導(dǎo)率則產(chǎn)生最小的響應(yīng)。同樣,隨著頻率的增加,這些跡線會(huì)趨向于圖形的中心位置。
圖3 圖片顯示了對(duì)于封閉容器內(nèi)不同類型的固體金屬球體,線圈阻抗測(cè)量值與仿真結(jié)果的重疊情況。不銹鋼容器采用雙層容器壁結(jié)構(gòu),內(nèi)壁與外壁之間有絕緣材料。仿真結(jié)果與測(cè)量值相當(dāng)吻合。
由于對(duì)容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精心建模,測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。仿真和測(cè)量結(jié)果均顯示出線圈能夠?yàn)檫@個(gè)頻率范圍內(nèi)的每個(gè)對(duì)象建立獨(dú)特的阻抗簽名。
選擇合適的操作頻帶是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)決策。最佳的頻率范圍取決于具體場(chǎng)景,包括容器尺寸、結(jié)構(gòu)材料和容器壁厚度的變化。容器由非磁性材料(如不銹鋼或鋁)制作還是由鐵磁材料(例如碳鋼)制成是一項(xiàng)重要因素。這是因?yàn)槿萜鹘Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率對(duì)磁場(chǎng)相互作用有著很大影響。所選擇的頻率范圍一定要使磁場(chǎng)能穿透容器并在內(nèi)部物體中感應(yīng)出可以測(cè)量得到的渦電流。此外,頻率的數(shù)量要足夠多,以便得出可靠的阻抗簽名,但為了盡量減少測(cè)時(shí)間,頻率數(shù)量也不宜過(guò)多。使用最少數(shù)量的頻率有助于收集多重頻率的掃描結(jié)果,從而通過(guò)平均過(guò)程提高測(cè)量精度。
圖4 電磁場(chǎng)頻率變化的影響
電磁簽名測(cè)量與傳的統(tǒng)輻射式測(cè)量方法相輔相成,可以用于武器控制條約驗(yàn)證以及監(jiān)管鏈的實(shí)施。電磁簽名技術(shù)不需要與容器進(jìn)行物理接觸,而且能夠提供固有的信息屏障以保護(hù)敏感信息。電磁簽名技術(shù)的基本原理是在容器上方放置環(huán)繞線圈以實(shí)現(xiàn)低頻阻抗測(cè)量,可帶來(lái)一系列的優(yōu)勢(shì):測(cè)量時(shí)間短,實(shí)施成本低,操作安全且方便攜帶,而且可為敏感信息提供固有保護(hù)。
通過(guò)試驗(yàn)證明,可利用線圈區(qū)分密封的金屬存儲(chǔ)容器內(nèi)不同武器裝備的部件。該方法還可以用來(lái)區(qū)分隱藏核材料的不同化學(xué)成分,因?yàn)橛行┖瞬牧鲜墙饘伲▽?dǎo)電體),其它的是氧化物(絕緣體),這些材料與磁場(chǎng)的相互作用方式不同。ANSYS Maxwell有助于實(shí)現(xiàn)基于仿真的高效設(shè)計(jì)方法,以便設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的線圈,用以確定密封容器里的物體。
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