原位自生鋁基復(fù)合材料γ射線屏蔽性能研究

范文杰，孟曉峰，李宜全，郭 健

（北京普達(dá)迪泰科技有限公司，北京 100086）

1 研究背景及意義

作為核電站安全運行和維護的一種必要監(jiān)控和保障手段，數(shù)字?jǐn)z像、照相機正得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是與日常生活環(huán)境截然不同，放射性環(huán)境對數(shù)字相機的性能提出了更多、更苛刻的要求，例如底層半導(dǎo)體元器件的抗輻照設(shè)計等。在放射性環(huán)境中服役的數(shù)字相機除了其自身要經(jīng)過特殊的抗輻照設(shè)計以外，還需在其外面覆蓋抗輻射的相機殼體（一般由承重結(jié)構(gòu)件復(fù)合鉛板組成）。傳統(tǒng)相機殼體的承重結(jié)構(gòu)一般為不銹鋼或鋁合金材質(zhì)。不銹鋼殼體強度和剛度高，但是質(zhì)量大，鋁合金殼體屏蔽γ射線的能力較差，且強度和剛度有限。

原位自生鋁基復(fù)合材料是由上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室特種材料研究所4代科研工作者歷經(jīng)25年時間開發(fā)研制的一種先進的新型結(jié)構(gòu)材料。由原位自生納米TiB2陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料，具有高強度、高剛度、低密度、高阻尼、高抗疲勞等優(yōu)良的力學(xué)性能，具有巨大而廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。利用該復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)相機殼體材料，可以在保證承重結(jié)構(gòu)剛度和強度的前提下，有效減小整個相機的質(zhì)量。如果該復(fù)合材料對γ射線的屏蔽性能亦有較好表現(xiàn)的話，將會成為一種全新的、具有重要意義的耐輻照相機殼體材料。

2 研究目的

通過CMOS相機在不同劑量率γ射線下的照射實驗來探究原位自生鋁基復(fù)合材料作為耐輻照相機殼體承重結(jié)構(gòu)的可行性。

3 研究材料（見表1）

表1 測試材料列表

4 實驗方案

把表1中的實驗材料分別加工成如圖1所示的空心圓柱形殼體，將CMOS相機封閉于其中，然后依次放置在5個不同劑量率的測試點位進行γ射線輻照測試。γ射線會在相機的暗場圖像中引起噪點，通過圖像處理軟件可以對噪點進行定量分析。通過分析原位自生鋁基復(fù)合材料對噪點的抑制效果，可以定量地獲得到復(fù)合材料對γ射線輻照下CMOS相機的降噪效果。

圖1 CMOS相機γ射線輻照測試的示意簡圖

實驗過程中，CMOS相機采集照片的頻率設(shè)為120 fps。為了滿足統(tǒng)計意義，每個測試點位的數(shù)據(jù)為10張照片的統(tǒng)計結(jié)果。

5 結(jié)果及分析

通過Fiji-ImageJ軟件對輻照測試中CMOS相機所采集到的暗場圖片進行處理。首先將源圖片轉(zhuǎn)化為RGB格式，再將其轉(zhuǎn)化為8-bit灰度圖。通過選取合適的門檻值（Threshold），把灰度圖進一步轉(zhuǎn)化為二值圖。經(jīng)過對多張源圖片的仔細(xì)分析和觀察，threshold=16被認(rèn)為是一個合適的門檻值。統(tǒng)計二值圖中的斑點，可以獲得源圖片中閃光點的數(shù)量信息。考慮到CCD可能存在壞點等情況，無任何輻照條件下相機暗場圖像中統(tǒng)計到的閃光點被用來做為參考值。

各組實驗結(jié)果的信息匯總于表2中。

表2 不同屏蔽材料在不同測試點位的CMOS相機γ射線輻照測試結(jié)果（120 fps）

表2中的數(shù)據(jù)表明，8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料在位置1到位置4的表現(xiàn)，其降噪效果跟同等厚度的鉛具有相當(dāng)?shù)目杀刃浴．?dāng)?shù)竭_(dá)位置5時，由于輻射劑量率過大，8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料的降噪效果驟降為1.3%，可以判定為失效。值得注意的是，同等厚度的鉛在位置5的降噪效果也僅為14.9%。

相比之下，6%TiB2/7075（擠壓態(tài)）復(fù)合材料的降噪效果要比8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料差很多，其在位置4就已經(jīng)失效了。

6 結(jié)論

本實驗的結(jié)果表明，8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料在相當(dāng)劑量率的γ輻射環(huán)境下，對于CMOS相機采集的圖像均具有較好的降噪效果，跟傳統(tǒng)屏蔽材料鉛具有一定的可比性。8%TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料具有高強度、高剛度、低密度、高阻尼、高抗疲勞等優(yōu)良的力學(xué)特性，加之此次實驗初步確定的較好的對輻照環(huán)境下CMOS相機圖像的降噪效果，這為發(fā)展新型耐輻照相機殼體材料及耐輻照承重結(jié)構(gòu)材料帶來一種極具吸引力的可能。

由于γ射線引起CMOS相機采集的圖片出現(xiàn)噪點的原因較為復(fù)雜（包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對效應(yīng)），因而，次實驗的結(jié)果僅能從某種程度反應(yīng)原位自生鋁基復(fù)合材料的降噪性能，并不能精確反應(yīng)其對γ射線的屏蔽性能。因而，要將原位自生鋁基復(fù)合材料發(fā)展為新型屏蔽材料，還需要開展更直觀、更有效的屏蔽性能測試實驗。