SDA126T、HCA726S傳感器耐輻照效應(yīng)研究＊

邊狄武，鄒樹梁，卜玉峰，3

（1.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽 421001；3.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

1 引言

近年來，隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速増長，人類對能源的需求也在加劇。傳統(tǒng)能源不斷消耗，現(xiàn)有的化石燃料燃燒所帶來的環(huán)境污染問題引起全人類的關(guān)注，風(fēng)能、太陽能、核能等可再生能源及清潔能源的開發(fā)利用已成為世界能源發(fā)展的主旋律。但由于其他能源存在一定的局限性，核能已成為可大規(guī)模替代化石燃料的唯一清潔能源。大力發(fā)展核能的同時(shí)，核電站安全問題也日益受到全社會(huì)廣泛關(guān)注。核電站具有較強(qiáng)的放射性，一旦發(fā)生核事故及泄漏，會(huì)給人類帶來毀滅性的災(zāi)難，如前蘇聯(lián)切爾諾貝利、美國三哩島、日本福島核事故。由于核事故發(fā)生后救援人員無法第一時(shí)間抵達(dá)現(xiàn)場，因此開發(fā)核應(yīng)急機(jī)器人已成為國際核電救災(zāi)領(lǐng)域的導(dǎo)向和世界性難題。中國現(xiàn)已成為核電建設(shè)運(yùn)行大國，利用核應(yīng)急機(jī)器人完善核電站應(yīng)急救援體系，加強(qiáng)救援機(jī)制建設(shè)刻不容緩。

核應(yīng)急是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。經(jīng)過研究表明，核應(yīng)急機(jī)器人耐輻射性能主要取決于最薄弱的電子器件箱，而控制系統(tǒng)中傳感器等電子元器件的耐輻照性能又最為薄弱。為使機(jī)器人系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作于核環(huán)境中，首先需要了解其具體作業(yè)環(huán)境、應(yīng)用領(lǐng)域及其環(huán)境中特殊的因素。核環(huán)境中所存在的放射性是其區(qū)別于其他常規(guī)工業(yè)環(huán)境最重要的特征，而放射性不但會(huì)對生物體產(chǎn)生損傷，同樣會(huì)對機(jī)器人及其子系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。機(jī)器人內(nèi)部由復(fù)雜電子器件及控制系統(tǒng)組成，在高放射性環(huán)境中，如果不對內(nèi)部電子器件、傳感器及通信系統(tǒng)采取防護(hù)措施，機(jī)器人將無法正常工作。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

通過查閱電子資料及國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）官方公布數(shù)據(jù)，對照分析發(fā)現(xiàn)滿足核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人或機(jī)器人系統(tǒng)耐輻照性能測試要求的參考標(biāo)準(zhǔn)主要有：中國軍用標(biāo)準(zhǔn)、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航局標(biāo)準(zhǔn)。對比發(fā)現(xiàn)，中國軍用標(biāo)準(zhǔn)與美國軍統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差異不大，因此本次輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)合中國軍用標(biāo)準(zhǔn)和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)確定相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。本研究實(shí)驗(yàn)采用60Co雙柵板源，放射源平均活度為680 kCi，射線類型為γ射線，采用低量程重鉻酸銀劑量計(jì)，劑量率范圍為5～1 000 Gy/h。具體參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)放射源為60Co，采用單柵板式平面排列504支源棒，分4層排列，每層2門，每門63支，每2支間距21 mm。放入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前，需要在工作人員的指導(dǎo)下將放射源降到源罐下方水槽中，靜置5 min后進(jìn)入輻照室，利用輻照室劑量率分布圖以及激光測距儀將平臺(tái)放在指定位置，放射源提升時(shí)間為25 s。

2.2 輻照試驗(yàn)

輻照實(shí)驗(yàn)在湖南省瀏陽市輻照中心進(jìn)行，將已搭建完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放置在指定位置上，傳感器正對放射源側(cè)面，如圖1所示。使用激光測距儀，并通過計(jì)算來確定傳感器的初始位置，再利用低量程重鉻酸銀劑量計(jì)（0.4～5 kGy）吸收的累積劑量除以輻照時(shí)間計(jì)算實(shí)際劑量率，進(jìn)而確定傳感器的實(shí)際耐輻射總劑量。由于傳感器在固定范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)并且在近距離中劑量率幾乎相同，因此可以假設(shè)傳感器在相同位置處接收到的劑量率沒有變化。

圖1 傳感器位置圖

由于輻照損傷容易影響實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行，因此將信號采集系統(tǒng)放置于輻照室外。實(shí)驗(yàn)中需要改變傳感器的劑量率，因此在實(shí)驗(yàn)中多次改變傳感器放置點(diǎn)以達(dá)到目的，各放置點(diǎn)的劑量率梯度分別為25 Gy/h、50 Gy/h、75 Gy/h、100 Gy/h，實(shí)驗(yàn)方案中已寫明傳感器無任何信號輸出作為終止標(biāo)志，通過上述方法來驗(yàn)證傾角傳感器的耐輻射總劑量，進(jìn)而減小隨機(jī)誤差。

2.3 結(jié)果與討論

在表1所示的實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)測試SDA126T、HCA726S兩種傾角傳感器無信號輸出時(shí)輻照累積劑量如表2所示。

表2 傾角傳感器耐輻射總劑量

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以得到傳感器的耐輻射總劑量與劑量率之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。從表2中數(shù)據(jù)可以得出，SDA126T、HCA726S兩種傾角傳感器實(shí)際總劑量存在一些波動(dòng)，但差別不大。

圖2 劑量率與總劑量關(guān)系圖

根據(jù)劑量率效應(yīng)相關(guān)理論可知，經(jīng)輻照后，在以半導(dǎo)體、金屬涂層以及高聚物為基體的傳感器中，氧化物陷阱電荷即時(shí)產(chǎn)生并發(fā)生復(fù)合，其遷移和俘獲也是在相對較短時(shí)間內(nèi)完成的，因此劑量率并不影響空穴-電子對的產(chǎn)生。但在高劑量γ射線輻照環(huán)境中工作，短時(shí)間內(nèi)，MOS結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生更多的正電荷并向界面處聚集形成電場，由此引起更多的電荷在界面處移動(dòng)，最終發(fā)生“飽和”現(xiàn)象。在較小劑量率γ射線輻照環(huán)境中，因輻照時(shí)間較長引起退火，傳感器性能在一定程度上有所恢復(fù)，從而使輻照總劑量偏高一些。

在傳感器輸出信號時(shí)，收集信號并通過編程轉(zhuǎn)化為圖像展示傳感器角度變化情況，通過分析可得損傷分為四個(gè)過程：①通過圖像可知傳感器波形基本沒有變化，能保持相對穩(wěn)定的幅值及相位；②輻照累積劑量達(dá)到耐輻照總劑量一半時(shí)，幅值和相位開始改變；③輻照累積劑量達(dá)到耐輻照總劑量時(shí)，產(chǎn)生激蕩信號，計(jì)算誤差較大，此時(shí)已經(jīng)無法通過算法修復(fù)數(shù)據(jù)，可初步判定傳感器損傷；④傳感器無信號輸出，徹底損傷。

此外，部分情況下，經(jīng)高劑量γ射線輻照，傳感器受到射線能量沖擊影響，直接產(chǎn)生激蕩信號，這時(shí)只需重啟傳感器即可恢復(fù)。將傳感器的四個(gè)損傷過程圖像化如圖3和圖4所示。

圖3 傳感器損傷過程表征圖

圖4 傳感器激蕩信號變化圖

在本次實(shí)驗(yàn)中，以傾角傳感器是否還有正常工作能力作為判別標(biāo)準(zhǔn)，損傷初期傾角傳感器仍有信號輸出。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)可得：損傷標(biāo)志可定義為傳感器采集數(shù)據(jù)輸出正弦波幅值或相位發(fā)生改變，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)易受到輻照損傷；輻照累積劑量達(dá)到一定值則會(huì)使傳感器喪失原有設(shè)定功能，致使傳感器失效。

3 總結(jié)

對HCA726S和SDA126T兩種傾角傳感器進(jìn)行了耐輻照實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而可以得出以下幾點(diǎn)：①傾角傳感器的耐輻射性能屬于固有屬性，但因制造工藝參數(shù)的異同而使得個(gè)體存在差異；②通過輻照實(shí)驗(yàn)測量并計(jì)算得到HCA726S和SDA126T傾角傳感器的平均耐輻射總劑量分別為429 Gy、565 Gy；③HCA726S和SDA126T傾角傳感器的輻照損傷均以總劑量效應(yīng)為主，劑量率對傳感器的耐輻射總劑量基本沒有影響，因而在某些特定環(huán)境下可忽略劑量率帶來的差異及影響；④當(dāng)劑量率較低時(shí)，因輻照時(shí)間相對較長，傳感器自身存在退火現(xiàn)象，從而耐輻照性呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢。