《新削減戰(zhàn)略武器條約（New START）》于2010年簽署，旨在減少美國和俄羅斯軍械庫的戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射器和核彈頭數(shù)量。該條約的實施要求監(jiān)控發(fā)射器與彈頭的數(shù)量和位置。未來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。

　為了在武器拆除過程中采取監(jiān)管措施，必須在不開封的情況下查明封閉金屬容器里的內(nèi)容。西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究表明利用密封金屬容器的低頻電磁簽名通過是或否的方式即可核定是否存在特定部件，且不會泄露機密信息。

　利用環(huán)繞的電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生穿透容器的磁場以獲取電磁簽名。容器內(nèi)的物體對磁場做出響應(yīng)生成一個響應(yīng)場，再通過線圈阻抗的變化從外部測量響應(yīng)場。

　利用ANSYS Maxwell進行仿真有助于針對各種不同類型的核容器優(yōu)化線圈的設(shè)計和激勵頻率。

　在2012年，美國國務(wù)院宣布“未來在制定進一步地減少核武器的新條約時，協(xié)商重點可能從以前的戰(zhàn)略運載系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到對核彈頭的限制上。這就需要采用新的方案使對敏感信息的保護以及遠程檢測核設(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，必須實施材料核實。在武器拆除過程中，核彈頭、钚核和第二級都被儲存在驗證當(dāng)局無法打開的密封金屬容器內(nèi)，以避免泄露設(shè)計機密。驗證過程中，必須確認某些容器含有特定的核武器部件，避免其實際上是空的或含有用來轉(zhuǎn)移視線的非核材料。

　要確認容器是不是空的單憑輻射測量可能是不夠的，因為使用屏蔽材料（例如鉛）就能夠隱藏核材料。

電磁簽名技術(shù)

　在過去的幾十年里，PNNL開發(fā)并演示了一種可用來快速確認核物質(zhì)密封存儲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穿透金屬容器壁與導(dǎo)電物質(zhì)進行相互作用。

　鈾、钚以及鉛等目標材料均屬于導(dǎo)電體，因此可利用線圈場來加以區(qū)分。容器內(nèi)物體感應(yīng)出的渦電流會在線圈端產(chǎn)生獨特的阻抗簽名。這個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、目標方向和電磁屬性。每個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)集來使用，這樣不會泄露隱藏對象的敏感設(shè)計特性。

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容器和磁場的相互作用進行建模。他們使用ANSYS Optimetrics實現(xiàn)了自動化的參數(shù)仿真�；�于仿真的方法對于這項工作來說很有必要，因為物理構(gòu)建各種線圈的原型并測試其性能需要一定的成本和時間。而且，測試數(shù)據(jù)提供的與所含物體進行磁場相互作用方面的直接信息比較有限，而這些信息又對線圈技術(shù)的成功應(yīng)用起到重要作用。Maxwell是進行這一分析的理想選擇，因為該軟件過去已經(jīng)為PNNL針對類似問題提供過精確結(jié)果。

　此外，Maxwell還能從統(tǒng)一的界面訪問2D和3D求解器。感應(yīng)線圈具有旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，因此工程師只需完整線圈和容器的一個橫截面即可使用2D仿真快速計算線圈阻抗和磁場。

　為確定給定封閉金屬容器的線圈設(shè)計參數(shù)，PNNL研究人員掃描線圈頻率并針對空容器將結(jié)果標準化，通過這種方式仿真容器內(nèi)各種測試對象的阻抗簽名。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。

　測試對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。對于給定的金屬類型，最小的測試對象會產(chǎn)生最小的阻抗變化，然而最大的球體則會產(chǎn)生最大的阻抗變化。所有響應(yīng)會隨頻率的增大而趨向于圖形的中心位置。

　這是因為更高頻率的磁場較難穿過容器壁與內(nèi)部物體的相互作用。磁場圖顯示出在500Hz示例頻率下容器壁厚度對磁場分布的影響。正如預(yù)期的一樣，結(jié)果說明金屬壁越厚，與容器內(nèi)物體的磁場相互作用就越弱。仿真技術(shù)可用來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 磁場仿真顯示不同容器厚度的影響

    此外，PNNL研究人員還針對封閉容器內(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，這些跡線會趨向于圖形的中心位置。

圖3 圖片顯示了對于封閉容器內(nèi)不同類型的固體金屬球體，線圈阻抗測量值與仿真結(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)果與測量值相當(dāng)吻合。

    由于對容器結(jié)構(gòu)進行了精心建模，測量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。仿真和測量結(jié)果均顯示出線圈能夠為這個頻率范圍內(nèi)的每個對象建立獨特的阻抗簽名。

　選擇合適的操作頻帶是一項重要的設(shè)計決策。最佳的頻率范圍取決于具體場景，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）制成是一項重要因素。這是因為容器結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率對磁場相互作用有著很大影響。所選擇的頻率范圍一定要使磁場能穿透容器并在內(nèi)部物體中感應(yīng)出可以測量得到的渦電流。此外，頻率的數(shù)量要足夠多，以便得出可靠的阻抗簽名，但為了盡量減少測時間，頻率數(shù)量也不宜過多。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，從而通過平均過程提高測量精度。

圖4 電磁場頻率變化的影響

　電磁簽名測量與傳的統(tǒng)輻射式測量方法相輔相成，可以用于武器控制條約驗證以及監(jiān)管鏈的實施。電磁簽名技術(shù)不需要與容器進行物理接觸，而且能夠提供固有的信息屏障以保護敏感信息。電磁簽名技術(shù)的基本原理是在容器上方放置環(huán)繞線圈以實現(xiàn)低頻阻抗測量，可帶來一系列的優(yōu)勢：測量時間短，實施成本低，操作安全且方便攜帶，而且可為敏感信息提供固有保護。

　通過試驗證明，可利用線圈區(qū)分密封的金屬存儲容器內(nèi)不同武器裝備的部件。該方法還可以用來區(qū)分隱藏核材料的不同化學(xué)成分，因為有些核材料是金屬（導(dǎo)電體），其它的是氧化物（絕緣體），這些材料與磁場的相互作用方式不同。ANSYS Maxwell有助于實現(xiàn)基于仿真的高效設(shè)計方法，以便設(shè)計出最優(yōu)化的線圈，用以確定密封容器里的物體。

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本文標題：利用仿真技術(shù)開發(fā)驗證密封容器的最佳方法

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