強脈沖γ線輻射對壓電陶瓷材料性能的影響

毛世平，楊 靖，張祖偉，陳清華，王登攀，趙德鋒，馮 波

(1. 中電科技集團重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2. 中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；3. 重慶地區軍代室,重慶 400060；4. 云南無線電有限公司，云南 昆明 650223；5.四川交通職業技術學院，四川 成都 611130)

0 引言

加速度壓電傳感器作為關鍵的核儀器部件，目前在核電站、航空航天及核醫學等領域有著重要的應用[1-3]。其可安裝于核電廠內的射線泄漏監測系統，該系統能及時反饋堆內的核泄漏信息，迅速發現核事故發生的部位，對反應堆的安全運行有重要的保障作用[4]。加速度傳感器的核心部件是壓電陶瓷材料，其性能優劣直接影響加速度傳感器的正常工作。由于壓電陶瓷服役于強核輻射與高溫的環境下，其宏觀性能會逐漸發生變化，性能的退化源自材料在輻射和熱的協同作用下，致使材料內部的原子核和核外電子發生相互作用而導致材料在微觀層面發生損傷，微觀損傷經過分子尺度、介觀尺度的多尺度演化，發生宏觀性能的變化。加速度傳感器各部件材料主要有壓電陶瓷材料、合金材料(高溫鎳合金、不銹鋼、600鎳基合金等)及高分子樹脂基材料(電路板基板材質FR-4Inconel)等。射線輻照過程中，中子、γ線與材料內原子核的微觀相互作用，壓電陶瓷材料會發生溶質雜質再分布，位錯環形成空泡，氣泡形成空泡及氣泡成長材料相變等，導致壓電、介電及彈性等性能變化；合金材料會發生腫脹，輻照蠕變，產生空洞，產生氣體及活化等，導致力學、導電及抗輻照等性能變化；高分子樹脂基材料會發生輻射降解，產生氣體，不飽和度變化，氧化反應，異構化及歧化反應等，導致耐溫、輻照穩定性等性能變化。

目前，長時間、相對較低劑量率γ輻照對材料性能的影響已有研究，但短時間、高劑量率γ輻照對材料性能影響未見報道。因此，本文首先在輻射裝置上進行高劑量率γ線輻照，然后分別對輻照前、后材料的壓電應變常數(d33)、電容及掃描電鏡(SEM)實驗進行測試，根據測試結果對高劑量率輻照的影響進行評價。

1 材料與方法

1.1 壓電陶瓷材料

圖1為加速度傳感器。圖2為高溫連接器母頭。傳感器與高溫連接器母頭通過7/16-27 UNS 螺紋相連，保證連接對應位置無誤。圖 3 為壓電陶瓷材料。壓電陶瓷是一種能將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料——壓電效應[5]，屬于無機非金屬材料。常用壓電陶瓷有鈦酸鋇系[6]、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三ABO3型化合物組成的三元系或四元系[7]。

圖1 加速度傳感器

圖2 高溫連接器母頭

圖3 壓電陶瓷材料

1.2 輻照預處理

圖4為加速器開機運行時的γ線脈沖信號圖。單個脈沖的等效脈寬為28 ns，總劑量為38 800 rad(Si)，劑量率為1.386×109rad(Si)/s。加速器產生的γ線將與壓電陶瓷材料內部的核外電子發生作用，從而產生微觀損傷。相互作用包括康普頓效應、光電效應和電子對效應，材料發生微觀損傷到一定程度經逐級演化表現為宏觀性能的變化。不同強度的射線強度引起的材料宏觀性能變化不同，后續將對輻照前后材料的幾個典型的宏觀性能進行實驗檢測，進而評估在這種輻照環境下對材料性能的影響。

圖4 材料輻照實驗過程中的加速器脈沖信號

2 結果與討論

壓電陶瓷材料經高能γ線輻照后可能會產生壓電性能、表觀形貌及材料內部結構等變化[8]。本文主要對材料輻照實驗和輻照后材料的壓電性能及微觀形貌進行對比，圖5為壓電性能測試示意圖。圖6為SEM實驗示意圖，主要對材料輻照前后的微觀形貌進行測試。

圖5 壓電性能測試

圖6 SEM測試實驗

對隨機選取的1#、2#、3#材料進行d33和電容實驗測試，測試結果如表1、2所示。

表1 輻照前后材料d33的實驗檢測結果

表2 輻照前后材料電容的實驗檢測結果

圖7為電鏡標尺100 μm下加速器輻照前后材料的表觀形貌測試結果。

圖7 材料表觀形貌測試

3 結束語

壓電陶瓷材料經過劑量率為1.386×109rad(Si)/s的γ線輻照后，對其進行了壓電常數、電容、表觀形貌實驗檢測，結果表明，輻照后壓電陶瓷材料的d33基本不變，但材料輻照前后的電容發生小幅度變化。通過材料的SEM實驗結果可看出(電鏡標尺100 μm)，與輻照前材料相比，輻照后材料出現微小孔洞，但不明顯。通過實驗結果可知，該壓電陶瓷材料在單次脈沖輻照劑量率小于1.386×109rad(Si)/s時可保持其壓電性能，以該壓電陶瓷材料為核心部件的加速度傳感器可正常工作。