核動(dòng)力裝置無(wú)線傳感器抗輻照屏蔽設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

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(wú)線傳感器及網(wǎng)絡(luò)的使用越來(lái)越多。國(guó)外學(xué)者對(duì)核裝置中輻射對(duì)無(wú)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(wú)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(duì)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(wú)線信號(hào)傳輸以及核輻射硬度測(cè)試[4]。經(jīng)美國(guó)能源部資助，Comanche Peak核電站將無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(wèn)題。在該項(xiàng)目的第二階段，無(wú)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(cè)[5-6]。橡樹(shù)嶺國(guó)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須要考慮抗輻射問(wèn)題。

國(guó)外對(duì)微電子電路的抗輻照屏蔽封裝展開(kāi)了較為深入的研究[8-9]。我國(guó)航空領(lǐng)域也對(duì)輻射屏蔽有效性開(kāi)展了許多嘗試和研究[10-11]，但對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(chǎng)景。文獻(xiàn)[15]則以含鉛增韌雙馬來(lái)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(guò)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(guò)屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布局研究，對(duì)核動(dòng)力裝置中使用的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了抗輻射外殼加固；最后，通過(guò)輻照試驗(yàn)，驗(yàn)證了所采取的輻射防護(hù)的有效性。

1 無(wú)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(guò)材料時(shí)，與材料原子發(fā)生的任何一種能量沉積過(guò)程都將使γ射線發(fā)生衰減。對(duì)于經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)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(chǎng)并非窄束射線，材料對(duì)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(chǎng)等因素。這些因素對(duì)γ射線吸收能力的修正用積累因子表示。因此，材料對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)γ射線的吸收能力越強(qiáng)，說(shuō)明材料的屏蔽性能越好。而材料對(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)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(shì)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(cè)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(lái)自中國(guó)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(cè)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(wú)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(duì)更高能量光子入射以及更大注量的復(fù)合輻射場(chǎng)。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(zhǎng)度與寬度，以及開(kāi)孔直徑。屏蔽層覆蓋區(qū)域的面積尺寸是在原有無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)×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(duì)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(guò)調(diào)整塊的腰形孔調(diào)節(jié)固定位置。上鎢板通過(guò)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(guò)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(guò)試驗(yàn)，測(cè)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(cè)試環(huán)境選擇為普通室內(nèi)環(huán)境，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)與無(wú)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(kāi)上位機(jī)軟件，設(shè)置無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)及無(wú)線網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)，并保持無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)與無(wú)線網(wǎng)關(guān)建立無(wú)線通信鏈路。由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)自發(fā)產(chǎn)生數(shù)據(jù)并發(fā)送至無(wú)線網(wǎng)關(guān)，上傳至上位機(jī)并通過(guò)軟件對(duì)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(chǎng)布置如圖8所示。

圖8 未加裝殼體和屏蔽層試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線通信的LoRa模塊沒(méi)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(shuō)明上述問(wèn)題。

對(duì)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(wú)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(guò)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(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在沒(méi)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(chǎng)布置如圖9所示。

圖9 加裝外殼和屏蔽層試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(guò)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(wú)屏蔽下的理論模擬值與實(shí)際試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，如表4所示。

表4 有無(wú)屏蔽下的理論模擬值與實(shí)際試驗(yàn)值對(duì)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(wú)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(duì)無(wú)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(guò)研究分析選擇抗輻射屏蔽加固的方式加以解決。針對(duì)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(wú)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(guò)有無(wú)屏蔽層的對(duì)比試驗(yàn)表明：在沒(méi)有鎢屏蔽層的情況下，無(wú)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(wú)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)。