SDA126T、HCA726S傳感器耐輻照效應研究＊

邊狄武，鄒樹梁，卜玉峰，3

（1.南華大學資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學核設施應急安全作業技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001；3.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

1 引言

近年來，隨著人口和經濟的快速増長，人類對能源的需求也在加劇。傳統能源不斷消耗，現有的化石燃料燃燒所帶來的環境污染問題引起全人類的關注，風能、太陽能、核能等可再生能源及清潔能源的開發利用已成為世界能源發展的主旋律。但由于其他能源存在一定的局限性，核能已成為可大規模替代化石燃料的唯一清潔能源。大力發展核能的同時，核電站安全問題也日益受到全社會廣泛關注。核電站具有較強的放射性，一旦發生核事故及泄漏，會給人類帶來毀滅性的災難，如前蘇聯切爾諾貝利、美國三哩島、日本福島核事故。由于核事故發生后救援人員無法第一時間抵達現場，因此開發核應急機器人已成為國際核電救災領域的導向和世界性難題。中國現已成為核電建設運行大國，利用核應急機器人完善核電站應急救援體系，加強救援機制建設刻不容緩。

核應急是一項復雜的系統工程。經過研究表明，核應急機器人耐輻射性能主要取決于最薄弱的電子器件箱，而控制系統中傳感器等電子元器件的耐輻照性能又最為薄弱。為使機器人系統可以穩定工作于核環境中，首先需要了解其具體作業環境、應用領域及其環境中特殊的因素。核環境中所存在的放射性是其區別于其他常規工業環境最重要的特征，而放射性不但會對生物體產生損傷，同樣會對機器人及其子系統產生損傷。機器人內部由復雜電子器件及控制系統組成，在高放射性環境中，如果不對內部電子器件、傳感器及通信系統采取防護措施，機器人將無法正常工作。

2 實驗過程

2.1 實驗條件

通過查閱電子資料及國際原子能機構（IAEA）官方公布數據，對照分析發現滿足核環境作業機器人或機器人系統耐輻照性能測試要求的參考標準主要有：中國軍用標準、美國軍用標準和歐洲宇航局標準。對比發現，中國軍用標準與美國軍統標準差異不大，因此本次輻照實驗結合中國軍用標準和美國軍用標準確定相關實驗參數。本研究實驗采用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，劑量率范圍為5～1 000 Gy/h。具體參數設計如表1所示。

實驗放射源為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。放入實驗平臺前，需要在工作人員的指導下將放射源降到源罐下方水槽中，靜置5 min后進入輻照室，利用輻照室劑量率分布圖以及激光測距儀將平臺放在指定位置，放射源提升時間為25 s。

2.2 輻照試驗

輻照實驗在湖南省瀏陽市輻照中心進行，將已搭建完成的實驗平臺放置在指定位置上，傳感器正對放射源側面，如圖1所示。使用激光測距儀，并通過計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（0.4～5 kGy）吸收的累積劑量除以輻照時間計算實際劑量率，進而確定傳感器的實際耐輻射總劑量。由于傳感器在固定范圍內往復運動并且在近距離中劑量率幾乎相同，因此可以假設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驗正常進行，因此將信號采集系統放置于輻照室外。實驗中需要改變傳感器的劑量率，因此在實驗中多次改變傳感器放置點以達到目的，各放置點的劑量率梯度分別為25 Gy/h、50 Gy/h、75 Gy/h、100 Gy/h，實驗方案中已寫明傳感器無任何信號輸出作為終止標志，通過上述方法來驗證傾角傳感器的耐輻射總劑量，進而減小隨機誤差。

2.3 結果與討論

在表1所示的實驗條件下，經測試SDA126T、HCA726S兩種傾角傳感器無信號輸出時輻照累積劑量如表2所示。

表2 傾角傳感器耐輻射總劑量

根據表2中的數據可以得到傳感器的耐輻射總劑量與劑量率之間的關系曲線，如圖2所示。從表2中數據可以得出，SDA126T、HCA726S兩種傾角傳感器實際總劑量存在一些波動，但差別不大。

圖2 劑量率與總劑量關系圖

根據劑量率效應相關理論可知，經輻照后，在以半導體、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產生并發生復合，其遷移和俘獲也是在相對較短時間內完成的，因此劑量率并不影響空穴-電子對的產生。但在高劑量γ射線輻照環境中工作，短時間內，MOS結構中會產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，最終發生“飽和”現象。在較小劑量率γ射線輻照環境中，因輻照時間較長引起退火，傳感器性能在一定程度上有所恢復，從而使輻照總劑量偏高一些。

在傳感器輸出信號時，收集信號并通過編程轉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，能保持相對穩定的幅值及相位；②輻照累積劑量達到耐輻照總劑量一半時，幅值和相位開始改變；③輻照累積劑量達到耐輻照總劑量時，產生激蕩信號，計算誤差較大，此時已經無法通過算法修復數據，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，經高劑量γ射線輻照，傳感器受到射線能量沖擊影響，直接產生激蕩信號，這時只需重啟傳感器即可恢復。將傳感器的四個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

在本次實驗中，以傾角傳感器是否還有正常工作能力作為判別標準，損傷初期傾角傳感器仍有信號輸出。根據本次實驗可得：損傷標志可定義為傳感器采集數據輸出正弦波幅值或相位發生改變，半導體結構易受到輻照損傷；輻照累積劑量達到一定值則會使傳感器喪失原有設定功能，致使傳感器失效。

3 總結

對HCA726S和SDA126T兩種傾角傳感器進行了耐輻照實驗，進而可以得出以下幾點：①傾角傳感器的耐輻射性能屬于固有屬性，但因制造工藝參數的異同而使得個體存在差異；②通過輻照實驗測量并計算得到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，因而在某些特定環境下可忽略劑量率帶來的差異及影響；④當劑量率較低時，因輻照時間相對較長，傳感器自身存在退火現象，從而耐輻照性呈現增強趨勢。