原位自生鋁基復(fù)合材料γ射線屏蔽性能研究

范文杰，孟曉峰，李宜全，郭 健

（北京普達(dá)迪泰科技有限公司，北京 100086）

1 研究背景及意義

作為核電站安全運(yùn)行和維護(hù)的一種必要監(jiān)控和保障手段，數(shù)字?jǐn)z像、照相機(jī)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是與日常生活環(huán)境截然不同，放射性環(huán)境對(duì)數(shù)字相機(jī)的性能提出了更多、更苛刻的要求，例如底層半導(dǎo)體元器件的抗輻照設(shè)計(jì)等。在放射性環(huán)境中服役的數(shù)字相機(jī)除了其自身要經(jīng)過(guò)特殊的抗輻照設(shè)計(jì)以外，還需在其外面覆蓋抗輻射的相機(jī)殼體（一般由承重結(jié)構(gòu)件復(fù)合鉛板組成）。傳統(tǒng)相機(jī)殼體的承重結(jié)構(gòu)一般為不銹鋼或鋁合金材質(zhì)。不銹鋼殼體強(qiáng)度和剛度高，但是質(zhì)量大，鋁合金殼體屏蔽γ射線的能力較差，且強(qiáng)度和剛度有限。

原位自生鋁基復(fù)合材料是由上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特種材料研究所4代科研工作者歷經(jīng)25年時(shí)間開(kāi)發(fā)研制的一種先進(jìn)的新型結(jié)構(gòu)材料。由原位自生納米TiB2陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度、高阻尼、高抗疲勞等優(yōu)良的力學(xué)性能，具有巨大而廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。利用該復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)相機(jī)殼體材料，可以在保證承重結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的前提下，有效減小整個(gè)相機(jī)的質(zhì)量。如果該復(fù)合材料對(duì)γ射線的屏蔽性能亦有較好表現(xiàn)的話，將會(huì)成為一種全新的、具有重要意義的耐輻照相機(jī)殼體材料。

2 研究目的

通過(guò)CMOS相機(jī)在不同劑量率γ射線下的照射實(shí)驗(yàn)來(lái)探究原位自生鋁基復(fù)合材料作為耐輻照相機(jī)殼體承重結(jié)構(gòu)的可行性。

3 研究材料（見(jiàn)表1）

表1 測(cè)試材料列表

4 實(shí)驗(yàn)方案

把表1中的實(shí)驗(yàn)材料分別加工成如圖1所示的空心圓柱形殼體，將CMOS相機(jī)封閉于其中，然后依次放置在5個(gè)不同劑量率的測(cè)試點(diǎn)位進(jìn)行γ射線輻照測(cè)試。γ射線會(huì)在相機(jī)的暗場(chǎng)圖像中引起噪點(diǎn)，通過(guò)圖像處理軟件可以對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行定量分析。通過(guò)分析原位自生鋁基復(fù)合材料對(duì)噪點(diǎn)的抑制效果，可以定量地獲得到復(fù)合材料對(duì)γ射線輻照下CMOS相機(jī)的降噪效果。

圖1 CMOS相機(jī)γ射線輻照測(cè)試的示意簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，CMOS相機(jī)采集照片的頻率設(shè)為120 fps。為了滿足統(tǒng)計(jì)意義，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)位的數(shù)據(jù)為10張照片的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

5 結(jié)果及分析

通過(guò)Fiji-ImageJ軟件對(duì)輻照測(cè)試中CMOS相機(jī)所采集到的暗場(chǎng)圖片進(jìn)行處理。首先將源圖片轉(zhuǎn)化為RGB格式，再將其轉(zhuǎn)化為8-bit灰度圖。通過(guò)選取合適的門(mén)檻值（Threshold），把灰度圖進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二值圖。經(jīng)過(guò)對(duì)多張?jiān)磮D片的仔細(xì)分析和觀察，threshold=16被認(rèn)為是一個(gè)合適的門(mén)檻值。統(tǒng)計(jì)二值圖中的斑點(diǎn)，可以獲得源圖片中閃光點(diǎn)的數(shù)量信息。考慮到CCD可能存在壞點(diǎn)等情況，無(wú)任何輻照條件下相機(jī)暗場(chǎng)圖像中統(tǒng)計(jì)到的閃光點(diǎn)被用來(lái)做為參考值。

各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信息匯總于表2中。

表2 不同屏蔽材料在不同測(cè)試點(diǎn)位的CMOS相機(jī)γ射線輻照測(cè)試結(jié)果（120 fps）

表2中的數(shù)據(jù)表明，8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料在位置1到位置4的表現(xiàn)，其降噪效果跟同等厚度的鉛具有相當(dāng)?shù)目杀刃浴．?dāng)?shù)竭_(dá)位置5時(shí)，由于輻射劑量率過(guò)大，8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料的降噪效果驟降為1.3%，可以判定為失效。值得注意的是，同等厚度的鉛在位置5的降噪效果也僅為14.9%。

相比之下，6%TiB2/7075（擠壓態(tài)）復(fù)合材料的降噪效果要比8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料差很多，其在位置4就已經(jīng)失效了。

6 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料在相當(dāng)劑量率的γ輻射環(huán)境下，對(duì)于CMOS相機(jī)采集的圖像均具有較好的降噪效果，跟傳統(tǒng)屏蔽材料鉛具有一定的可比性。8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度、高阻尼、高抗疲勞等優(yōu)良的力學(xué)特性，加之此次實(shí)驗(yàn)初步確定的較好的對(duì)輻照環(huán)境下CMOS相機(jī)圖像的降噪效果，這為發(fā)展新型耐輻照相機(jī)殼體材料及耐輻照承重結(jié)構(gòu)材料帶來(lái)一種極具吸引力的可能。

由于γ射線引起CMOS相機(jī)采集的圖片出現(xiàn)噪點(diǎn)的原因較為復(fù)雜（包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對(duì)效應(yīng)），因而，次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果僅能從某種程度反應(yīng)原位自生鋁基復(fù)合材料的降噪性能，并不能精確反應(yīng)其對(duì)γ射線的屏蔽性能。因而，要將原位自生鋁基復(fù)合材料發(fā)展為新型屏蔽材料，還需要開(kāi)展更直觀、更有效的屏蔽性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。