鄧志光，吳 茜，呂 鑫，朱毖微，王雪梅，徐思捷，董晨龍，向美瓊

(核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610213)

0 引言

當(dāng)前，核設(shè)施中無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)的使用越來越多。國外學(xué)者對核裝置中輻射對無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)行了一定的研究[1]。還有學(xué)者提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensors network，WSN)的實(shí)時(shí)監(jiān)控核反應(yīng)堆方案，對WSN在核環(huán)境下的可靠性和兼容性進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估[2-3]。AECL Chalk River Labs進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)的電磁干擾、無線信號(hào)傳輸以及核輻射硬度測試[4]。經(jīng)美國能源部資助，Comanche Peak核電站將無線技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。Comanche Peak核電站的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，只要配置、安裝合適，數(shù)據(jù)安全性和電磁兼容性都不存在問題。在該項(xiàng)目的第二階段，無線技術(shù)將被應(yīng)用于輔助給水泵、上充泵、設(shè)備冷卻水泵等更為關(guān)鍵的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測[5-6]。橡樹嶺國家試驗(yàn)室的高通量同位素堆(high-flux isotope reactor,HFIR)研究堆也進(jìn)行了類似的應(yīng)用嘗試[7]。在核動(dòng)力裝置中使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須要考慮抗輻射問題。

國外對微電子電路的抗輻照屏蔽封裝展開了較為深入的研究[8-9]。我國航空領(lǐng)域也對輻射屏蔽有效性開展了許多嘗試和研究[10-11]，但對于微電子電路元器件的輻射屏蔽封裝的研究仍處于初步研究階段。前期的抗輻照研究經(jīng)歷了從研究輻照效應(yīng)為主向輻照損傷機(jī)制研究轉(zhuǎn)移的過程，當(dāng)前則是以抗輻射加固技術(shù)為主?？馆椪掌帘问堑钟椪論p傷的一種有效技術(shù)手段，通過在傳感器上添加屏蔽體，使其受到的射線強(qiáng)度減少，進(jìn)而降低傳感器材料受到輻照產(chǎn)生的累積吸收劑量[12-13]。文獻(xiàn)[14]采用蒙特卡羅N粒子(Monte Carlo N particle,MCNP)運(yùn)輸軟件，對工作于反應(yīng)堆中的壓電加速度傳感器的屏蔽抗輻照加固進(jìn)行了研究。針對反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)釋放的裂變中子譜和γ譜，該研究通過考慮運(yùn)行溫度、抗輻照性能、屏蔽效果等諸多因素，提出了鉛-聚乙烯-鉛多層組合和鐵+鎢+碳化硼復(fù)合材料等兩種屏蔽方式，并經(jīng)驗(yàn)證給出了2種屏蔽方式各自的使用工況場景。文獻(xiàn)[15]則以含鉛增韌雙馬來酰亞胺為基體，以高Z、低Z金屬粉末為填料，制備了抗輻射復(fù)合材料；采用蒙特卡羅方法，對復(fù)合材料的電子輻照屏蔽有效性進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與金屬鎢、鋁進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了所制抗輻射屏蔽材料的有效性。文獻(xiàn)[16]采用“鉛板+鋼板”的形式，對某公司配備的1臺(tái)臥位式工業(yè)電子輻照加速器進(jìn)行屏蔽，并現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了這種防護(hù)方式的有效性和經(jīng)濟(jì)性。

本文針對核動(dòng)力裝置的極端環(huán)境特征，以γ射線為主要輻射源。首先，通過屏蔽材料性能研究分析，確定了合適的屏蔽材料及屏蔽材料厚度；然后，通過屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布局研究，對核動(dòng)力裝置中使用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了抗輻射外殼加固；最后，通過輻照試驗(yàn)，驗(yàn)證了所采取的輻射防護(hù)的有效性。

1 無線傳感器及網(wǎng)關(guān)抗輻射設(shè)計(jì)

1.1 材料屏蔽性能研究

γ射線穿過材料時(shí)，與材料原子發(fā)生的任何一種能量沉積過程都將使γ射線發(fā)生衰減。對于經(jīng)過準(zhǔn)直的單能γ射線束，射線束強(qiáng)度衰減與材料厚度呈指數(shù)關(guān)系，可由式(1)表示：

I(x)=I0e-σhv·N·x

(1)

式中:I0為γ射線束的初始強(qiáng)度(單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面積的光子數(shù))；σhv為射線的總反應(yīng)截面；N為物質(zhì)原子密度；x為材料厚度。

由式(1)可以看出，σhv、N與材料及射線能量相關(guān)。因此，式(1)又可表示為：

I(x)=I0e-μ·x

(2)

式中：μ為線性衰減系數(shù)，cm-1。

當(dāng)考慮材料密度時(shí)，用質(zhì)量衰減系數(shù)μm表示材料對射線的吸收能力，可表示為：

(3)

式中：ρ為物質(zhì)密度；NA為阿伏伽德羅常數(shù)；A為材料元素原子量。

而核事故應(yīng)急環(huán)境中的γ射線輻射場并非窄束射線，材料對γ射線的吸收能力用窄束模型計(jì)算并不準(zhǔn)確。此時(shí)，研究必須考慮光子能量、材料、輻射場等因素。這些因素對γ射線吸收能力的修正用積累因子表示。因此，材料對γ射線的吸收可由式(4)表示：

I(x)=B(x,hv)·I0·e-μ·x

(4)

在屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對屏蔽材料及厚度的選擇應(yīng)當(dāng)結(jié)合式(4)進(jìn)行分析。由于采用理論計(jì)算的方法對所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)屏蔽效果進(jìn)行估算較為復(fù)雜，不能準(zhǔn)確地分析各種幾何結(jié)構(gòu)對粒子輸運(yùn)的影響。因此，本文采用MCNP幫助設(shè)計(jì)。

通常而言，屏蔽材料對γ射線的吸收能力越強(qiáng)，說明材料的屏蔽性能越好。而材料對γ射線的吸收能力取決于射線與材料原子反應(yīng)概率。這一反應(yīng)概率可以用材料原子的反應(yīng)截面表示，其大小與γ射線能量及材料原子序數(shù)有關(guān)。材料的屏蔽能力通常用質(zhì)量衰減系數(shù)μm表示。根據(jù)式(4)所述，質(zhì)量衰減系數(shù)與反應(yīng)截面成正比，而正比系數(shù)為阿伏伽德羅常數(shù)。由此可以認(rèn)為，對于同樣能量的γ射線，μm值越大，則屏蔽能力越強(qiáng)。常用作γ射線屏蔽的材料主要有水、土壤、巖石、鐵礦石、混凝土、金、鉛、鎢、銅、鐵、鋁、鈾、鉛硼聚乙烯、含硼聚丙烯等。根據(jù)需要并考慮經(jīng)濟(jì)性和材料的機(jī)械性能，本文所設(shè)計(jì)屏蔽體主要采用非貴重金屬材料作為屏蔽層的主要屏蔽材料。常用γ射線屏蔽材料性質(zhì)[16-17]如表1所示。

表1 常用γ射線屏蔽材料性質(zhì)

以鉛、銅、鋁、鐵和鎢為代表的金屬屏蔽材料的總反應(yīng)截面面積及質(zhì)量衰減系數(shù)[17]分別如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可以看出，在1.5 MeV以下時(shí)，鎢和鉛的屏蔽效果優(yōu)于銅、鋁、鐵，特別是對低能射線的吸收更為優(yōu)異。

圖1 金屬屏蔽材料的總反應(yīng)截面圖

圖2 金屬屏蔽材料質(zhì)量衰減系數(shù)圖

為了便于攜帶或放置，無線傳感器及網(wǎng)關(guān)的屏蔽體設(shè)計(jì)還需考慮體積因素。對于質(zhì)量衰減系數(shù)相近的材料，在相同厚度的屏蔽層，密度越大則屏蔽效果越好。根據(jù)式(4)，可以計(jì)算出這些金屬材料的線性衰減系數(shù)，如圖3所示。

圖3 各類金屬材料線性衰減系數(shù)

由圖3可知，相同材料厚度，鎢對γ射線(特別是低能γ射線)的吸收能力最強(qiáng)，鉛次之。從圖3中鎢和鉛的線性衰減系數(shù)曲線可以看出：對能量在0.1～1.5 MeV范圍內(nèi)的γ射線，相比于鉛，以鎢為材料的屏蔽體的體積優(yōu)勢隨著能量的增大而逐漸增大；當(dāng)能量大于1.5 MeV后，體積優(yōu)勢隨能量的增大變化不明顯。因此，采用鎢作為屏蔽材料，有利于縮小屏蔽體體積。

本文選用鎢作為主要屏蔽材料，不用考慮金屬的毒性和韌性。采用粉末冶金工藝制造的純鎢板，鎢含量≥99.9%。以137Cs為γ射線測試源，基于MCNP程序，研究模擬了鎢板厚度與透射率的關(guān)系曲線如圖4所示。圖4中的試驗(yàn)值來自中國原子能科學(xué)研究院的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 鎢板厚度與透射率關(guān)系曲線圖

由圖4可以看出，鎢板實(shí)際測量屏蔽能力強(qiáng)于理論值。這可能是由于理論計(jì)算采用的是理想窄束源，而實(shí)際環(huán)境中的放射源多為寬束源。本文系統(tǒng)的累積輻照耐受總劑量以500 Gy為目標(biāo)(核動(dòng)力裝置屏蔽體中輻照較弱區(qū)域的儀表應(yīng)用指標(biāo))，基于前期無屏蔽防護(hù)的智能變送器抗輻照摸底等試驗(yàn)，要求屏蔽層的衰減比例至少大于70%。當(dāng)屏蔽體厚度為9 mm時(shí)，能夠滿足衰減比率大于70%的需要。然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要預(yù)留一定的冗余量，以便應(yīng)對更高能量光子入射以及更大注量的復(fù)合輻射場。因此，屏蔽層采用10 mm厚、粉末冶金工藝制造、純度大于99.9%的鎢板為主要屏蔽材料。

1.2 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局

屏蔽體尺寸的設(shè)計(jì)原則是在保證較好屏蔽性能的基礎(chǔ)上盡可能小，所需確定的尺寸包括屏蔽層擋板厚度、長度與寬度，以及開孔直徑。屏蔽層覆蓋區(qū)域的面積尺寸是在原有無線傳感器及網(wǎng)關(guān)印刷電路板(printed circuit board,PCB)電路板基礎(chǔ)上寬度增加2Δd2，長度增加2Δd1。本文網(wǎng)關(guān)單元與節(jié)點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，使其外觀及結(jié)構(gòu)形式保持一致，且內(nèi)部零件盡量采用通用化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以減少零部件種類。網(wǎng)關(guān)單元和節(jié)點(diǎn)單元外形尺寸分別為280 mm×180 mm×60 mm及230 mm×150 mm×60 mm(長×寬×高)，外形尺寸不含天線及接口突出部分。

網(wǎng)關(guān)單元和節(jié)點(diǎn)單元外形如圖5所示。圖5中，未標(biāo)注尺寸公差按GB/T 1804—2000中C級(jí)要求執(zhí)行。

圖5 網(wǎng)關(guān)單元和節(jié)點(diǎn)單元外形示意圖

網(wǎng)關(guān)單元和節(jié)點(diǎn)單元的3D結(jié)構(gòu)爆炸布局如圖6所示。

圖6 3D結(jié)構(gòu)爆炸布局示意圖

網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)對外連接器及天線布置于后端，而前端為設(shè)備狀態(tài)指示燈。屏蔽結(jié)構(gòu)采用雙層式結(jié)構(gòu)形式，外殼體采用鋁合金6063-T6整體銑加工成型，壁厚2 mm并設(shè)置加強(qiáng)筋，在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可避免拼裝縫隙造成的電磁泄漏及溫?zé)岘h(huán)境下的水氣進(jìn)入。機(jī)殼內(nèi)表面及搭接處進(jìn)行黃色導(dǎo)電氧化處理。內(nèi)層為鎢板屏蔽結(jié)構(gòu)。硬件模塊位于由6個(gè)面的鎢板(4側(cè)屏蔽+上屏蔽+底屏蔽)包絡(luò)的腔體內(nèi)，其主要由底板、遠(yuǎn)距離傳輸(long range radio，LoRa)模塊、核心板(CPU)及散熱片、Wi-Fi模塊及散熱片等關(guān)鍵部件組成。殼體外部還包括LoRa和Wi-Fi天線。

外殼體由底屏蔽盒(底蓋板)、中殼、上蓋板組成。底屏蔽盒為獨(dú)立的空腔，可方便替換不同厚度(1～10 mm)的鎢板。中殼體在硬件模塊四周設(shè)計(jì)了導(dǎo)槽，在各側(cè)面設(shè)計(jì)了調(diào)整塊。當(dāng)鎢板厚度小于10 mm時(shí)，通過調(diào)整塊的腰形孔調(diào)節(jié)固定位置。上鎢板通過4個(gè)螺釘孔固定在4個(gè)導(dǎo)槽上，并與各側(cè)面的鎢板搭接。10 mm鎢板屏蔽結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 10 mm鎢板屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖

通過調(diào)整塊、導(dǎo)槽及底屏蔽盒，可滿足不同厚度(1～10 mm)鎢板的快速安裝。

通過試驗(yàn)，測定輻射環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，最終確定采用屏蔽結(jié)構(gòu)的厚度。在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，設(shè)計(jì)應(yīng)選用最小的屏蔽體厚度。

2 輻照試驗(yàn)驗(yàn)證

測試環(huán)境選擇為普通室內(nèi)環(huán)境，無線傳感節(jié)點(diǎn)與無線網(wǎng)關(guān)按照距離源不同距離依次擺放。系統(tǒng)上電后打開上位機(jī)軟件，設(shè)置無線傳感節(jié)點(diǎn)及無線網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)，并保持無線傳感節(jié)點(diǎn)與無線網(wǎng)關(guān)建立無線通信鏈路。由無線傳感節(jié)點(diǎn)自發(fā)產(chǎn)生數(shù)據(jù)并發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)，上傳至上位機(jī)并通過軟件對功能、性能進(jìn)行檢驗(yàn)，保持通信，記錄通信狀態(tài)以及故障發(fā)生時(shí)間。

未加裝殼體和屏蔽層的試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖8所示。

圖8 未加裝殼體和屏蔽層試驗(yàn)現(xiàn)場布置情況

節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)模塊安裝在試驗(yàn)板上。試驗(yàn)板垂直吊在支架導(dǎo)軌上。

輻照加固前試驗(yàn)樣件γ射線累積劑量如表2所示。由表2可以看出，節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)輻射總劑量約為200 Gy，但各樣品總耐受劑量略有差別。這可能是由于主板中元器件批次不同，造成耐輻射性能具有不確定性的緣故。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，差異程度與模塊或器件的構(gòu)成復(fù)雜程度有關(guān)。當(dāng)未采用加固工藝時(shí)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、越精密的器件，耐輻射性能越差。

表2 輻照加固前試驗(yàn)樣件γ射線累積劑量表

用于無線通信的LoRa模塊沒有配置復(fù)雜芯片，輻照后仍然正常工作。這可以從一個(gè)側(cè)面說明上述問題。

對于節(jié)點(diǎn)，損壞后則失去工作能力。節(jié)點(diǎn)核心板(高集成度芯片比較集中)受到輻照后芯片損壞，同時(shí)輻照造成電源正、負(fù)極短路，使整個(gè)系統(tǒng)無法工作。

在輻照試驗(yàn)中，網(wǎng)關(guān)一直處于工作狀態(tài)。在事后經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)也受到了影響，如路由模塊性能下降、核心板的NAND也出現(xiàn)更多的壞區(qū)、千兆網(wǎng)PHY芯片已經(jīng)損壞。

綜上可知，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在沒有外殼和屏蔽結(jié)構(gòu)的情況下，電路板能耐受的累積劑量約為200 Gy左右。

加裝外殼和屏蔽層后，再次進(jìn)行試驗(yàn)。加裝外殼和屏蔽層的試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖9所示。

圖9 加裝外殼和屏蔽層試驗(yàn)現(xiàn)場布置示意圖

節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)模塊安裝在試驗(yàn)板上，試驗(yàn)板垂直吊在支架導(dǎo)軌上。

輻照加固后試驗(yàn)樣件γ射線累積劑量如表3所示。

表3 輻照加固后試驗(yàn)樣件γ射線累積劑量表

由表3可知，在累積計(jì)量500 Gy時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。在第57 min時(shí)，節(jié)點(diǎn)損壞。此時(shí)，輻射總劑量約為660 Gy。對于節(jié)點(diǎn)，損壞后則失去工作能力，千兆網(wǎng)絡(luò)的PHY芯片不能正常工作。網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障后，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是由于網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的AC/DC模塊故障，經(jīng)過一段時(shí)間以后，網(wǎng)關(guān)偶爾能工作。

同時(shí)，本文還將有無屏蔽下的理論模擬值與實(shí)際試驗(yàn)值進(jìn)行了對比，如表4所示。

表4 有無屏蔽下的理論模擬值與實(shí)際試驗(yàn)值對比

綜上可知，在加裝外殼和10 mm鎢屏蔽層后，本文所設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)能在累計(jì)計(jì)量為500 Gy的環(huán)境中正常工作，理論模擬值和實(shí)際試驗(yàn)值較為接近，可為后續(xù)屏蔽設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文針對無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)在核動(dòng)力裝置輻照環(huán)境中的應(yīng)用制約，通過研究分析選擇抗輻射屏蔽加固的方式加以解決。針對核動(dòng)力裝置主要輻射源——γ射線，首先由材料屏蔽性能研究確定了合適的屏蔽材料及厚度。其中，無線傳感器及網(wǎng)關(guān)的外殼屏蔽層材料為金屬鎢，而鎢板的厚度設(shè)計(jì)為10 mm。通過有無屏蔽層的對比試驗(yàn)表明：在沒有鎢屏蔽層的情況下，無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)耐輻照能力基本低于200 Gy；在加固10 mm鎢屏蔽層時(shí)，耐輻照能力達(dá)到了大于500 Gy。本文研究為后續(xù)無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)在核動(dòng)力裝置輻照環(huán)境下的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。