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ITER装置纵场导体母材超声波检测水浸聚焦探头的研制

1概述

ITER是InternationalThermonuclearExperimentalReactor的简

写，全称国际热核聚变实验反应堆，也被人们形象地称为人造太阳，聚变

能是一种战略能源，也是21世纪的换代能源。中国是能源短缺的国家。

中国能源资源的现状是人均能源占有量极低，优质能源资源（石油、天然

气等）严重短缺，能源结构很不合理。从这种意义上讲，聚变能的开发对

我国长期可持续发展具有极为重要的意义。对此能承受聚变的压力容器需

要确保安全可靠，所以ITER装置的母材检测的研究是非常有必要的。

2水浸法超声波探伤的原理

超声波水浸探伤是以水作为耦合介质的一种非接触式检测方法，分为

全浸法和局浸法，具有波形稳定、不磨损探头、灵敏度高、分辨力强、波

束可控性好、受工件表面粗糙度影响小、便于实现自动化等优点[1]。异

型模锻件多采用全浸法，如图1所示：

在水浸探伤中，为了克服声束在水中的扩散，改善声束的指向性，提

高检测灵敏度和分辨力，尤其是对凸弧面工件，常采用聚焦探头进行检测。

聚焦探头是由平直探头在晶片前加上声透镜构成的，如图2所示：

3水浸聚焦直探头的结构

常用聚焦探头分为点聚焦探头和线聚焦探头，如图3：

聚焦直探头的结构如图2所示[2]。由图可知，聚焦探头与平探头的

主要区别是在压电晶片前面加了声透镜。声透镜靠晶片一面是平面，另一

面是曲面。

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从理论上讲，有最佳透声厚度的说法，但由于聚焦探头声透镜的两个

表面之一是球面或圆柱面，而且实际使用的频率并不单一，而且围绕中心

频率的一个频带。因此，对于工业应用而言，实际上对聚焦探头来说，并

未发现有明显的最佳透镜厚度。从前人作过的实验结果表明，声透镜中心

处厚度越薄越好。

3.1聚焦探头在水中的焦点位置

参见图4。设C透是透镜中声速，C水是水中声速，R为声透镜表面

曲率半径d为

入射声束距透镜中心线的距离，在靠近晶片的部位，晶片发射的超声

波可用平行线表示[2]。平行线穿过透镜进入水中，会因折射而改变方向。

在实际应用中，一般取2d/R本节主要对透镜材料的声速分析。

根据公式，透镜曲率半径一定时，可改变透镜声速来获得不同焦距的探头。

目前，国内透镜材料主要选用环氧树脂。环氧树脂的声阻抗与压电晶片的

声阻抗相差较大，其透射率较小。为提高探头的灵敏度，可以选用声阻抗

的较大的环氧树脂加钨粉混合料来获得。钨粉的衰减系数比较大，只要中

心厚度足够小则对灵敏度影响不大。当透镜的曲率半径一定时，透镜声速

决定探头的焦距。声速试块的制作与声速的测试决定探头的性能参数。试

块是用不同比例的环氧树脂加钨粉的混合料，固定好离心时间和速度，待

试块固化后取出，将上表面磨平，留取含钨粉比例大的那部分，以保证与

离心后的透镜钨粉比例含量相近。

根据环氧、钨粉的比例与声速的关系。其声速随钨粉的量增加而减少，

但不是无限制的减少。当钨粉与环氧的比例大于某个值的时候环氧已经不

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能够完全润湿钨粉，流动性就不好，在浇注过程中不能很好的去除气泡

[3]。实验过程中发现钨粉与环氧的比例在1：0.3范围内润湿效果和流动

性都比较好。

3.4.3电阻抗的最佳匹配

为使探头的谐振频率能与超声探伤仪发出的电脉冲激励频率达到最

佳匹配，需要考虑探头的电阻抗特性。为此，我们对所做的探头进行了线

圈匹配实验：

通过测试我们发现，串联0.3的电感，探头的峰值频率和回波频率都

接近了10M，但是灵敏度不高。

为了提高灵敏度，我们又重新进行匹配，发现去掉电容之后，灵敏度

提高了，波形也很理想，但是频率降低。

经过反复测试，我们发现直接串联0.3的电感之后，波形和灵敏度都

满足要求，因此，我们选用了直接串联0.3的电感的匹配。

3.4.4压模的选择

由于目前国内仅使用纯环氧作为浇注透镜的材料。根据公式可知当透

镜材料是纯环氧树脂，则C透就是一个固定值。若需要得到不同焦距的探

头，只有通过改变透镜的曲率半径来实现。当所需探头的焦距比较大时，

其曲率半径要求特别大，