核电站指套管是核反应堆的重要组成部分，学名是“堆芯中子通量套管”，用于放置堆芯中子通量探测器，以探测堆芯的中子通量分布、堆芯功率畸变，并积累燃烧数据。由于反应堆中流致振动造成的磨损，可能在指套管上产生缺陷，威胁核电运行安全，因此必须对指套管进行周期性检测。指套管内径只有5 mm，现有探头只能扫描测得线数据，难以量化缺陷的位置和尺寸，也不能区分位置临近的多个缺陷。
为解决这一难题，信息学院2019级本科生王婧怡在叶朝锋教授的指导下，提出了一种使用椭圆激励和隧道磁阻（TMR）传感器阵列的核电站小管径指套管新型检测探头。近日，关于该成果的研究论文发表在电磁无损定量检测领域国际会议（25th International Workshop on Electromagnetic Nondestructive Evaluation）。王婧怡作为论文第一作者参会并做学术报告。
该工作设计了一种新的用于核电站指套管成像检测的探头，使用高分辨率、高灵敏度的隧道效应磁阻(Tunneling Magnetoresistance，TMR)传感器阵列对涡流电流产生的磁场检测成像，通过分析磁场图像数据，来快速准确地检测缺陷（图1）。用该探头检测有缺陷的指套管样品，验证了该方法的可行性（图2、图3）。从检测磁场图像中可以清楚地识别出各个缺陷，且图像形状与缺陷形状相关，图像信号的位置与缺陷的位置一一对应，这意味着可以从这些检测图像中定位和分析缺陷，有助于准确评估指套管降质的位置及其严重程度。
图 1 探头结构图及阵列传感器实物照片。探头中包含8个TMR传感器，它们被引线键合封装在一块椭圆行印刷电路板(PCB)的一个面上。该椭圆形电路板的长轴和短轴分别为5 mm和9 mm。在电路板的另一面，封装有8选1 多路复用器和运算放大器芯片，用以选通和放大传感器信号。此PCB固定在一个3D 打印的塑料骨架内。一个椭圆激励线圈绕在传感器阵列的外侧，其中通有交流电流，用以产生交流的激励磁场。为了使探头对轴向和周向缺陷具有相当的灵敏度，传感器阵列和励磁线圈被设计成相对于指套管轴向倾斜放置，即励磁电流方向与探头轴向形成30°夹角。
图2 指套管样品上的楔形缺陷及其磁场检测图像（图中横轴是探头的轴向扫描距离，纵轴是对应传感器的编号）。
图3 指套管样品上的圆孔形缺陷及其磁场检测图像（图中横轴是探头的轴向扫描距离，纵轴是对应传感器的编号）。
该论文题为”Small Diameter Array Probe with TMR Sensors and Elliptical Excitation for Thimble Tube Inspection”，2019级本科生王婧怡、2022届研究生陶昕辰分列论文的第一作者和第二作者，叶朝锋教授为通讯作者。这一成果充分体现了我校在本科阶段鼓励学生进实验室、接受科研训练这一培养模式下所取得的积极成效。
图4 王婧怡参加25th International Workshop on Electromagnetic Nondestructive Evaluation 线上会议
图5 王婧怡
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