强脉冲γ线辐射对压电陶瓷材料性能的影响

毛世平，杨 靖，张祖伟，陈清华，王登攀，赵德锋，冯 波

(1. 中电科技集团重庆声光电有限公司，重庆 401332；2. 中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；3. 重庆地区军代室,重庆 400060；4. 云南无线电有限公司，云南 昆明 650223；5.四川交通职业技术学院，四川 成都 611130)

0 引言

加速度压电传感器作为关键的核仪器部件，目前在核电站、航空航天及核医学等领域有着重要的应用[1-3]。其可安装于核电厂内的射线泄漏监测系统，该系统能及时反馈堆内的核泄漏信息，迅速发现核事故发生的部位，对反应堆的安全运行有重要的保障作用[4]。加速度传感器的核心部件是压电陶瓷材料，其性能优劣直接影响加速度传感器的正常工作。由于压电陶瓷服役于强核辐射与高温的环境下，其宏观性能会逐渐发生变化，性能的退化源自材料在辐射和热的协同作用下，致使材料内部的原子核和核外电子发生相互作用而导致材料在微观层面发生损伤，微观损伤经过分子尺度、介观尺度的多尺度演化，发生宏观性能的变化。加速度传感器各部件材料主要有压电陶瓷材料、合金材料(高温镍合金、不锈钢、600镍基合金等)及高分子树脂基材料(电路板基板材质FR-4Inconel)等。射线辐照过程中，中子、γ线与材料内原子核的微观相互作用，压电陶瓷材料会发生溶质杂质再分布，位错环形成空泡，气泡形成空泡及气泡成长材料相变等，导致压电、介电及弹性等性能变化；合金材料会发生肿胀，辐照蠕变，产生空洞，产生气体及活化等，导致力学、导电及抗辐照等性能变化；高分子树脂基材料会发生辐射降解，产生气体，不饱和度变化，氧化反应，异构化及歧化反应等，导致耐温、辐照稳定性等性能变化。

目前，长时间、相对较低剂量率γ辐照对材料性能的影响已有研究，但短时间、高剂量率γ辐照对材料性能影响未见报道。因此，本文首先在辐射装置上进行高剂量率γ线辐照，然后分别对辐照前、后材料的压电应变常数(d33)、电容及扫描电镜(SEM)实验进行测试，根据测试结果对高剂量率辐照的影响进行评价。

1 材料与方法

1.1 压电陶瓷材料

图1为加速度传感器。图2为高温连接器母头。传感器与高温连接器母头通过7/16-27 UNS 螺纹相连，保证连接对应位置无误。图 3 为压电陶瓷材料。压电陶瓷是一种能将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料——压电效应[5]，属于无机非金属材料。常用压电陶瓷有钛酸钡系[6]、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三ABO3型化合物组成的三元系或四元系[7]。

图1 加速度传感器

图2 高温连接器母头

图3 压电陶瓷材料

1.2 辐照预处理

图4为加速器开机运行时的γ线脉冲信号图。单个脉冲的等效脉宽为28 ns，总剂量为38 800 rad(Si)，剂量率为1.386×109rad(Si)/s。加速器产生的γ线将与压电陶瓷材料内部的核外电子发生作用，从而产生微观损伤。相互作用包括康普顿效应、光电效应和电子对效应，材料发生微观损伤到一定程度经逐级演化表现为宏观性能的变化。不同强度的射线强度引起的材料宏观性能变化不同，后续将对辐照前后材料的几个典型的宏观性能进行实验检测，进而评估在这种辐照环境下对材料性能的影响。

图4 材料辐照实验过程中的加速器脉冲信号

2 结果与讨论

压电陶瓷材料经高能γ线辐照后可能会产生压电性能、表观形貌及材料内部结构等变化[8]。本文主要对材料辐照实验和辐照后材料的压电性能及微观形貌进行对比，图5为压电性能测试示意图。图6为SEM实验示意图，主要对材料辐照前后的微观形貌进行测试。

图5 压电性能测试

图6 SEM测试实验

对随机选取的1#、2#、3#材料进行d33和电容实验测试，测试结果如表1、2所示。

表1 辐照前后材料d33的实验检测结果

表2 辐照前后材料电容的实验检测结果

图7为电镜标尺100 μm下加速器辐照前后材料的表观形貌测试结果。

图7 材料表观形貌测试

3 结束语

压电陶瓷材料经过剂量率为1.386×109rad(Si)/s的γ线辐照后，对其进行了压电常数、电容、表观形貌实验检测，结果表明，辐照后压电陶瓷材料的d33基本不变，但材料辐照前后的电容发生小幅度变化。通过材料的SEM实验结果可看出(电镜标尺100 μm)，与辐照前材料相比，辐照后材料出现微小孔洞，但不明显。通过实验结果可知，该压电陶瓷材料在单次脉冲辐照剂量率小于1.386×109rad(Si)/s时可保持其压电性能，以该压电陶瓷材料为核心部件的加速度传感器可正常工作。