钴源与加速器辐照效应及辐照加工试验综合平台

蒋海青 何伟荣,2 蔡锡明,3 李吉豪 胡江涛 沈蓉芳 黄卫兵,2 李林繁

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

2（上海长沪新材料有限公司 上海 201800）

3（上海世龙科技有限公司 上海 201800）

辐照技术，是一种利用射线与物质间的作用，使被辐照物质的物理性能和化学组成发生变化，从而达到改良材料性能目的的技术。整个过程能耗低、无残留物、清洁环保，是绿色的加工技术，在辐照考验［1］、辐照消毒灭菌［2-3］、辐照保鲜［4］、有机污染物辐照降解及新材料辐照改性等领域具有重要应用价值［5-7］。

材料辐照效应是指在高能射线作用下材料保持其固有物理、化学、机械性能的能力。例如，高分子聚合物受到高能射线辐照时，聚合物分子内部会产生电离和激发，从而导致聚合物发生一系列物理及化学变化：辐射交联——分子链之间形成化学键；辐射裂解——大分子链断裂；不饱和键含量发生变化；氧化及产生一些陷落自由基；释放出气体等。这些变化均可导致聚合物材料结晶度、硬度、密度、强度、弹性模量等的改变［8-9］。

对于同一聚合物，改变辐照条件则辐照效应也可能随之改变。（1）不同射线引发的辐照效应不同，Seguchi［10］详细研究了不同射线辐照聚合物时能量转移过程，电子束、γ射线和离子束作为辐射源，在穿透聚合物材料过程中能量损失方式的宏观机理却大相径庭。Bartonicek 等［11］对比了电子束和γ射线辐照电缆护套时引起的降解情况，发现两种射线辐照后材料的密度和拉伸断裂伸长率截然不同。（2）剂量和剂量率均是影响材料辐照效应的主要因素。对于不同的材料，辐照时累积吸收剂量和剂量率的影响有很大差异。对于2-氯代1，3-丁二烯、氯磺化聚乙烯和硅橡胶等几种材料，机械性能的降低仅与累积剂量有关；而对于交联聚烯烃等材料，受剂量率的影响却很显著。（3）环境气氛是一个不容忽视的因素。Aust 等［12］研究表明，氮气气氛下，超高分子量聚乙烯辐照效应以辐射交联占主要地位，但在空气气氛下，其辐射裂解的程度大大增加。Okada 等［13］研究了不同气氛下聚乙烯的γ射线辐照效应，与真空下辐照情况相比，N2O气氛对辐射交联有促进效应，对辐射交联抑制作用的顺序为NO2＞O2＞NH3＞SO2＞Cl2。（4）温度也是影响辐照效应的重要因素。聚四氟乙烯（PTFE）常温下的辐照效应是降解的，但20世纪70年代末，中国科学院长春应用化学研究所孙家珍在温度约330 ℃时，成功得到辐射交联PTFE，其耐磨性和耐辐照性大幅提高［14］。Shyichuk 等［15］利用γ 射线辐照聚乙烯后发现，由于囚笼效应的减少，大分子活动性的增加，随着温度的增加，聚乙烯辐射裂解增加的程度比辐射交联更明显。

中国科学院上海应用物理研究所（下称中科院上海应物所）的前身是成立于1959 年的中国科学院上海理化研究所，2003年6月经国家批准定为现名。中科院上海应物所在核科学技术领域从事面向世界科技前沿和国家战略需求的基础与应用研究，开展原始创新和集成创新。自建所以来长期开展辐射化学研究，拥有多种射线源，包括电子加速器、钴源、X射线辐照仪及重离子辐照装置等。其中电子辐照装置和钴源是最常用的辐照装置，组成了辐照效应及辐照加工试验平台，立足于为教学科研，面向广大辐射相关工作者提供辐照及相关的检测服务。

1 0.5 MeV电子辐照试验装置

中科院上海应物所0.5 MeV电子辐照试验装置主要面向薄膜及纤维类等大尺寸产品的连续辐照加工，包括0.5 MeV低能自屏蔽电子加速器（束流0～100 mA）、放卷机、收卷机、牵伸机等主要设备，其工艺流程示如图1 所示。加速器有效幅宽1 000 mm，加工速度0～20 m/min，有效穿透深度1 mm（有机材料）。

图1 0.5 MeV电子辐照试验装置Fig.1 0.5 MeV electron irradiation test device

纤维的辐照功能化改性一直是一个研究热点，比如纤维辐射接枝制备海水提铀吸附材料，高吸附容量和高选择性吸附材料的批量制备是其成功的决定性因素。为了实现海水提铀吸附材料的批量制备，批量规模化提供性能稳定的吸附材料，中科院上海应物所筹建了国内第一条纤维连续辐照试验线，并在上面开展纤维类材料连续辐照改性研究。目前已完成超高分子量聚乙烯纤维预辐照接枝制备海水提铀吸附材料（百千克级）、聚丙烯腈纤维预氧丝的制备、PET工业丝表面改性制备轮胎帘子线及纤维表面涂层固化等研究工作（图2），取得了较好的研究成果。

图2 不同类型纤维辐照前后图Fig.2 Various fibers before and after irradiation

为了进一步满足试验要求，2021 年试验线经过改造，加装了束下薄膜连续辐照试验装置，同时具备连续化辐照改性纤维和薄膜的能力，利用该试验线成功研发出高耐热性薄膜材料，薄膜辐照改性效果如图3所示。经过辐照处理的薄膜可应用于太阳能背板材料等，拓宽了传统材料的应用领域。

图3 辐照改性薄膜材料前后热处理对比Fig.3 Comparison of heat treatment before and after irradiation modification of membrane

2 1.5 MeV电子辐照试验装置

1.5MeV电子辐照试验装置主要用于小尺寸产品的间歇式辐照试验，装置见图4。能量1.0～1.5 MeV 连续可调，束流为0.5～6.0 mA 连续可调。通过配备多种束下设备，可进行静态和动态辐照两种辐照模式。同时针对不同的辐照条件，在剂量率、辐照时间、温度、气氛等方面进行了研究和拓展，可开展低剂量率（约5～70 kGy/h）、高剂量率（约24 MGy/h）、室温到200 ℃高温、氮气及氧气环境气氛等不同条件的辐照试验。

图4 1.5 MeV电子辐照试验装置Fig.4 1.5 MeV electron irradiation test device

需要指出的是，低剂量率静态辐照试验是该装置专门为第三代核电辐照考验开发的辐照条件，以用来满足第三代核电站要求开展的不同材料和设备低剂量率β射线辐照效应研究，在第三代核电站β辐照考验领域填补了国内空白，对推动核电设备国产化具有重要意义。

装置运行以来，共完成辐照机时6 000 h，不仅开展了电缆及电缆料的低剂量率β 射线辐照考验，还在核电典型材料、无机非金属材料、半导体材料、人造宝石辐照改性等开展了多方面研究工作，部分辐照样品见图5。

图5 不同样品辐照试验图Fig.5 Radiation Test Diagram of different samples

3 钴源γ射线辐照试验装置

60Co 源是最常用的一种γ 射线辐照装置，源排布方式一般分为柱状源和板状源两种。理论上，柱状源的等剂量面是环形，而板状源的等剂量面在一定范围内是方形。因此，从剂量均匀性考虑，两者适合辐照的样品形状不同，板状源更适宜于开展剂量率要求高，器型较大的样品。中科院上海应物所同时具有柱状源（设计装源量7.4×1015Bq）和板状源（设计装源量1.11×1016Bq）两种钴源，适应开展不同形状样品的辐照试验，在不同辐照试验方面积累了大量的经验，部分辐照考验试验见图6。

图6 较大器型辐照考验试验：（a）CAP1400核级阀门用直流电动装置辐照老化试验；（b）电磁动截止阀辐照老化试验；（c）爆破阀驱动装置辐照老化试验；（d）华龙一号核电电机热与辐照联合老化试验Fig.6 Large device irradiation test:(a)irradiation aging test of DC motor for CAP1400 nuclear plant valve;(c)irradiation aging test of solenoid operated cut-off valve;(c)irradiation aging test of blasting valve driver;(d)combined thermal and radiation aging test of power generator for Hualong No.1 nuclear plant

对辐照试验来说，剂量的准确性非常关键，中科院上海应物所的一〇五双板源钴源装置通过前期物理计算和大量的剂量点测试标定工作，实现钴源剂量场中不同位置吸收剂量率的精确确定，同时还可以根据需求对源棒进行重新排布，实现剂量场的可控分布，从而满足特定剂量率和吸收剂量的辐照试验需求。此外，对一些有特殊要求的辐照试验，组织专家评审，评估辐照试验方案。例如国内首个爆破阀辐照考验工作，考虑到爆破阀危险性的特殊情况，专门邀请业内专家进行试验安全性和可行性评估，充分听取与会专家的建议，实现辐照方案的最优化，保证辐照试验顺利开展。

近年随着核技术的发展，辐照考验的要求也越来越高，一〇五钴源自主研制开发了一系列专用配套设备，满足不同的温度和气氛辐照要求。在2010年首次完成了国内70 ℃热与辐照联合老化试验；2014 年首次完成了国内115 ℃热与辐照联合老化试验；2015 年首次完成了国内CAP1400 爆破阀驱动装置辐照老化试验；2017 年首次完成了国内华龙一号核电电机热与辐照联合老化试验；2019 年完成高温120～150 ℃热与辐照联合老化试验等，取得了一系列标志性进展。除拥有上述多种辐照装置外，中科院上海应物所还拥有先进的辐照相关检测设备，包括电子顺磁共振波谱仪（ESR）和丙氨酸剂量计。ESR 用于表征辐照后产生自由基的衍变及衰减，在晶体缺陷、聚合物的辐照效应和辐照损伤以及三重态自由基中含有未成对电子的原子、离子、分子，及金属或半导体中的传导电子等的研究方面具有重要意义。丙氨酸剂量计可用于多种射线剂量精确标定和剂量跟踪。

辐照效应及辐照加工平台依托研究所的科研技术力量，瞄准国际辐照加工行业发展趋势，将继续勇于开拓，不断创新，为推动国内辐射化学与辐照技术发展贡献力量。

作者贡献说明蒋海青是本文文献收集执行人，完成论文初稿写作，负责1.5 MeV电子辐照试验装置介绍；何伟荣和李吉豪参与钴源装置的文献收集和装置介绍；胡江涛参与0.5 MeV电子辐照试验装置介绍；沈蓉芳参与电子顺磁共振谱仪的介绍；李林繁、蔡锡明、黄卫兵是项目构思者及负责人，指导文献综述部分的撰写与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。