毛世平，楊 靖，張祖?zhèn)?，陳清華，王登攀，趙德鋒，馮 波

(1. 中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；3. 重慶地區(qū)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(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130)

0 引言

加速度壓電傳感器作為關(guān)鍵的核儀器部件，目前在核電站、航空航天及核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-3]。其可安裝于核電廠內(nèi)的射線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能及時(shí)反饋堆內(nèi)的核泄漏信息，迅速發(fā)現(xiàn)核事故發(fā)生的部位，對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)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(yōu)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(qiáng)核輻射與高溫的環(huán)境下，其宏觀性能會(huì)逐漸發(fā)生變化，性能的退化源自材料在輻射和熱的協(xié)同作用下，致使材料內(nèi)部的原子核和核外電子發(fā)生相互作用而導(dǎo)致材料在微觀層面發(fā)生損傷，微觀損傷經(jīng)過分子尺度、介觀尺度的多尺度演化，發(fā)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(zhì)FR-4Inconel)等。射線輻照過程中，中子、γ線與材料內(nèi)原子核的微觀相互作用，壓電陶瓷材料會(huì)發(fā)生溶質(zhì)雜質(zhì)再分布，位錯(cuò)環(huán)形成空泡，氣泡形成空泡及氣泡成長(zhǎng)材料相變等，導(dǎo)致壓電、介電及彈性等性能變化；合金材料會(huì)發(fā)生腫脹，輻照蠕變，產(chǎn)生空洞，產(chǎn)生氣體及活化等，導(dǎo)致力學(xué)、導(dǎo)電及抗輻照等性能變化；高分子樹脂基材料會(huì)發(fā)生輻射降解，產(chǎn)生氣體，不飽和度變化，氧化反應(yīng)，異構(gòu)化及歧化反應(yīng)等，導(dǎo)致耐溫、輻照穩(wěn)定性等性能變化。

目前，長(zhǎng)時(shí)間、相對(duì)較低劑量率γ輻照對(duì)材料性能的影響已有研究，但短時(shí)間、高劑量率γ輻照對(duì)材料性能影響未見報(bào)道。因此，本文首先在輻射裝置上進(jìn)行高劑量率γ線輻照，然后分別對(duì)輻照前、后材料的壓電應(yīng)變常數(shù)(d33)、電容及掃描電鏡(SEM)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)高劑量率輻照的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(duì)應(yīng)位置無誤。圖 3 為壓電陶瓷材料。壓電陶瓷是一種能將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料——壓電效應(yīng)[5]，屬于無機(jī)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(yù)處理

圖4為加速器開機(jī)運(yùn)行時(shí)的γ線脈沖信號(hào)圖。單個(gè)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(chǎn)生的γ線將與壓電陶瓷材料內(nèi)部的核外電子發(fā)生作用，從而產(chǎn)生微觀損傷。相互作用包括康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，材料發(fā)生微觀損傷到一定程度經(jīng)逐級(jí)演化表現(xiàn)為宏觀性能的變化。不同強(qiáng)度的射線強(qiáng)度引起的材料宏觀性能變化不同，后續(xù)將對(duì)輻照前后材料的幾個(gè)典型的宏觀性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，進(jìn)而評(píng)估在這種輻照環(huán)境下對(duì)材料性能的影響。

圖4 材料輻照實(shí)驗(yàn)過程中的加速器脈沖信號(hào)

2 結(jié)果與討論

壓電陶瓷材料經(jīng)高能γ線輻照后可能會(huì)產(chǎn)生壓電性能、表觀形貌及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)等變化[8]。本文主要對(duì)材料輻照實(shí)驗(yàn)和輻照后材料的壓電性能及微觀形貌進(jìn)行對(duì)比，圖5為壓電性能測(cè)試示意圖。圖6為SEM實(shí)驗(yàn)示意圖，主要對(duì)材料輻照前后的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試。

圖5 壓電性能測(cè)試

圖6 SEM測(cè)試實(shí)驗(yàn)

對(duì)隨機(jī)選取的1#、2#、3#材料進(jìn)行d33和電容實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1、2所示。

表1 輻照前后材料d33的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表2 輻照前后材料電容的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖7為電鏡標(biāo)尺100 μm下加速器輻照前后材料的表觀形貌測(cè)試結(jié)果。

圖7 材料表觀形貌測(cè)試

3 結(jié)束語

壓電陶瓷材料經(jīng)過劑量率為1.386×109rad(Si)/s的γ線輻照后，對(duì)其進(jìn)行了壓電常數(shù)、電容、表觀形貌實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)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(fā)生小幅度變化。通過材料的SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出(電鏡標(biāo)尺100 μm)，與輻照前材料相比，輻照后材料出現(xiàn)微小孔洞，但不明顯。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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。