錢俊江,袁宇鵬,陳清華,周 睿,張 萍,張祖?zhèn)?,母江東
(1.中電科技集團重慶聲光電有限公司,重慶 401332;2.中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060;3.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐重慶地區(qū)軍事代表室,重慶 400060;4.防化軍代局駐重慶地區(qū)防化軍代室,重慶 400060;5.云南無線電有限公司,云南 昆明 650223)
壓電加速度傳感器作為一種常見的振動測量關(guān)鍵器件在核電站、航空航天、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1]。壓電加速度傳感器在核電中主要用于核電站松動部件監(jiān)測及振動部件監(jiān)測系統(tǒng)[2],監(jiān)測核電站主設(shè)備及相關(guān)振動部件的工作狀態(tài),出現(xiàn)異常時報警提醒,對反應(yīng)堆的安全運行有重要的保障作用。然而加速度傳感器常服役于強核輻射與高溫的環(huán)境下,其宏觀性能如壓電性能、介電性能等參數(shù)會逐漸發(fā)生變化,這個性能的退化源自于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,最終導(dǎo)致材料在宏觀層面上的性能變化,并可能造成傳感器測量性能變化或失效,這會給反應(yīng)堆的安全運行帶來隱患。這個過程可分為:
1) 輻射對電子元器件及系統(tǒng)的影響,即輻照效應(yīng)。
2) 輻射如何對電子元器件及系統(tǒng)產(chǎn)生影響,即損傷機制。
3) 電子元器件及系統(tǒng)如何對抗輻射的影響,及抗輻射加固技術(shù)。
這3部分緊密相連,在早期的研究中以輻照效應(yīng)為主,逐漸向輻照損傷機制轉(zhuǎn)移,目前是以抗輻射加固技術(shù)為主。屏蔽防護是抗輻照加固中的一種有效的技術(shù)手段,通過添加屏蔽體使射線的強度降低,進而使傳感器材料受到輻照產(chǎn)生的吸收劑量降低[3]。本文主要采用蒙特卡洛法對服役于反應(yīng)堆中的壓電加速度傳感器的屏蔽抗輻照加固研究[4]。
反應(yīng)堆主要是釋放中子和γ射線??熘凶又饕捎弥亟饘僭赝ㄟ^非彈散射的方式進行屏蔽,慢化后的中能中子主要采用輕元素來進一步慢化。而γ射線主要采用重金屬材料來進行屏蔽[5]。
σt=σs+σs′+σγ+σf……
(1)
式中:σs為彈性散射截面;σs′為非彈性散射截面;σγ為輻射俘獲截面;σf為裂變截面。
中子與原子核的反應(yīng)截面σ稱為微觀截面,σ×N(N為靶材料單位體積內(nèi)原子核數(shù))為宏觀截面,即
∑=Nσ
(2)
一個多層結(jié)構(gòu)材料的宏觀截面為
(3)
式中:Sk為第k層材料的面積;lk為第k層材料的厚度;σk為第k層材料的微觀截面;NA為阿伏伽德羅常數(shù)。
如果組成某層屏蔽體的材料是復(fù)合材料,那么這一塊屏蔽體的宏觀截面可為
(4)
式中:mi為第i種材料組分的質(zhì)量;Mi為第i種材料組分的分子量;zi為 第i種材料質(zhì)量比;σi為 第i種材料總的微觀截面。
圖1~4分別為鉛(Pb)材料、聚乙烯(PE)材料和碳化硼(B4C)材料的宏觀截面計算結(jié)果。
圖1 3種材料非彈性散射截面
圖2 3種材料彈性散射截面
圖3 3種材料總的作用中子作用截面
圖4 3種材料γ射線作用截面
根據(jù)圖1~4所示結(jié)果,擬采用Pb-含硼聚乙烯-Pb的結(jié)構(gòu)組合進行屏蔽布置。第一層Pb通過非彈性散射來慢化中子,然后含硼聚乙烯進一步慢化和吸收中子,在這個過程中會產(chǎn)生γ射線,最后布置一層Pb材料來屏蔽γ射線。
圖5為傳感器屏蔽抗輻照加固示意圖,傳感器外面由屏蔽材料包覆。本文主要采用兩種方式來屏蔽:
1) 正面體由3層材料組成,從前到后分別是Pb-PE-Pb,這種方式排布合理,以含氫元素為夾心的材料能有很好的屏蔽效果,同時材料簡單,造價便宜,但PE耐溫性能和抗輻照性能相對較差,Pb材料有毒。
2) 由單層復(fù)合材料組成,復(fù)合材料由Fe+W+ B4C組成,這種組合具有很好的耐溫性能和抗輻照性能,但是材料的造價較高,屏蔽效果因缺少H元素會弱于第1)種。放射源采用裂變譜,同時考慮到16N產(chǎn)生的6.13 MeV和7.14 MeV高能γ射線,對于腐蝕活化源項產(chǎn)生的中子和γ射線暫時未加考慮。
圖5 傳感器屏蔽抗輻照加固示意圖
在對屏蔽進行設(shè)計過程中,采用MCNP軟件進行,分別模擬了幾種屏蔽體情況下的快中子屏蔽效果、熱中子屏蔽效果、γ射線屏蔽效果和總的射線屏蔽效果。屏蔽效果分別通過傳感器位置的射線強度和吸收劑量來表示。
在對各種材料組合的屏蔽效果進行MCNP軟件模擬計算前,要對軟件的準(zhǔn)確性進行校驗,以確定所計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究采用Geant4軟件[7]對MCNP軟件進行校驗,保證MCNP與Geant4所選擇的源信息,屏蔽材料模型,探測器信息及源、材料、探測器的間距保持一致。
表1為Geant4對MCNP的計算結(jié)果,所計算的厚度t分別為10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm,所計算的結(jié)果為單次裂變中子和γ射線的總劑量當(dāng)量值。Geant4與MCNP的計算結(jié)果偏差在10%以內(nèi),兩種軟件的計算吻合較好。
表1 Geant4 對MCNP校驗結(jié)果對比
屏蔽計算采用圖5所示的模型,計算采用MCNP軟件,分別對Pb-PE-Pb多層組合和60%Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù))+30%W(質(zhì)量分?jǐn)?shù))+10%B4C(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料兩種屏蔽方式進行計算。
1) Pb-PE-Pb多層屏蔽計算結(jié)果。采用總厚度為30 cm時3種Pb和含硼聚乙烯組合方式進行計算,即組合1為Pb(15 cm)+ PE(10 cm)+ Pb (5 cm),組合2為Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm),組合3為Pb(5 cm)+PE(20 cm)+Pb(5 cm)。圖6~8分別為3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)中子能譜、次級γ射線能譜及初級γ射線能譜圖。
圖6 3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)中子能譜
圖7 3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)次級γ射線能譜
圖8 3種組合屏蔽后傳感器內(nèi)初級γ射線能譜
由圖6~8可知,含硼聚乙烯厚度增加,中子屏蔽效果較好,但是初級γ射線的屏蔽效果下降,所以厚度組合有一個較優(yōu)的組合值。由表2可知,組合2(Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm))的屏蔽效果優(yōu)于其他兩組,其他兩組含硼聚乙烯厚度分別厚于或薄于聚乙烯材料。
表2 3種組合的屏蔽效果
后續(xù)采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)這一組合方式,按照這樣的材料厚度比例進行不同總厚度的材料吸收劑量計算,計算結(jié)果如圖9所示。
圖9 單次裂變后傳感器內(nèi)吸收劑量值
圖9為單次裂變后傳感器內(nèi)吸收劑量值,10 cm的屏蔽材料大約將吸收劑量降1個數(shù)量級,50 cm的屏蔽材料可使傳感器內(nèi)的吸收劑量降約3.5個數(shù)量級,從5×10-14Sv降到1×10-18Sv。
2) Fe+W+B4C復(fù)合材料計算結(jié)果。圖10為單次裂變產(chǎn)生的中子和γ射線穿過不同厚度屏蔽體的屏蔽效果。
圖10 不同厚度材料的屏蔽效果
圖11為單次裂變產(chǎn)生的中子和γ射線穿過不同質(zhì)量厚度屏蔽體的屏蔽效果。圖11中材料質(zhì)量是由圖10中材料厚度乘以材料的密度。
圖11 不同材料質(zhì)量情況下的屏蔽效果
由圖10可知,在屏蔽裂變的情況下,F(xiàn)e+W+B4C的組合好于純鐵,但其密度較大,因此做了圖11中不同材料質(zhì)量情況下的兩種材料屏蔽效果對比。由圖11可知,約600 kg的純鐵和約360 kg的Fe+W+B4C的組合屏蔽效果相當(dāng)。在同等屏蔽效果情況下,F(xiàn)e+W+B4C相對于純鐵可減重40%左右。
當(dāng)服役時間相對較短、屏蔽體受到輻射劑量不強、服役溫度小于PE的服役溫度時,可以考慮采用Pb(10 cm)+ PE(15 cm)+ Pb(5 cm)的組合方式。當(dāng)屏蔽體受到的輻射劑量很強、服役溫度很高時,可以考慮采用60%Fe+30%W+10%B4C(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料。
核電站、航空航天、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中常見使用壓電加速度傳感器進行振動測量,但環(huán)境中核輻射與高溫應(yīng)力,會導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生壓電性能、介電性能等參數(shù)的變化。因此,本文根據(jù)服役溫度、抗輻照性能、造價、屏蔽效果等因素,提出了鉛-聚乙烯-鉛多層組合屏蔽體和鐵+鎢+碳化硼組成的復(fù)合材料兩種屏蔽體組合方式,采用MCNP軟件進行仿真計算,并形成了服役時的屏蔽體形式的組合建議。