SDA126T、HCA726S传感器耐辐照效应研究＊

边狄武，邹树梁，卜玉峰，3

（1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001；3.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

1 引言

近年来，随着人口和经济的快速増长，人类对能源的需求也在加剧。传统能源不断消耗，现有的化石燃料燃烧所带来的环境污染问题引起全人类的关注，风能、太阳能、核能等可再生能源及清洁能源的开发利用已成为世界能源发展的主旋律。但由于其他能源存在一定的局限性，核能已成为可大规模替代化石燃料的唯一清洁能源。大力发展核能的同时，核电站安全问题也日益受到全社会广泛关注。核电站具有较强的放射性，一旦发生核事故及泄漏，会给人类带来毁灭性的灾难，如前苏联切尔诺贝利、美国三哩岛、日本福岛核事故。由于核事故发生后救援人员无法第一时间抵达现场，因此开发核应急机器人已成为国际核电救灾领域的导向和世界性难题。中国现已成为核电建设运行大国，利用核应急机器人完善核电站应急救援体系，加强救援机制建设刻不容缓。

核应急是一项复杂的系统工程。经过研究表明，核应急机器人耐辐射性能主要取决于最薄弱的电子器件箱，而控制系统中传感器等电子元器件的耐辐照性能又最为薄弱。为使机器人系统可以稳定工作于核环境中，首先需要了解其具体作业环境、应用领域及其环境中特殊的因素。核环境中所存在的放射性是其区别于其他常规工业环境最重要的特征，而放射性不但会对生物体产生损伤，同样会对机器人及其子系统产生损伤。机器人内部由复杂电子器件及控制系统组成，在高放射性环境中，如果不对内部电子器件、传感器及通信系统采取防护措施，机器人将无法正常工作。

2 实验过程

2.1 实验条件

通过查阅电子资料及国际原子能机构（IAEA）官方公布数据，对照分析发现满足核环境作业机器人或机器人系统耐辐照性能测试要求的参考标准主要有：中国军用标准、美国军用标准和欧洲宇航局标准。对比发现，中国军用标准与美国军统标准差异不大，因此本次辐照实验结合中国军用标准和美国军用标准确定相关实验参数。本研究实验采用60Co双栅板源，放射源平均活度为680 kCi，射线类型为γ射线，采用低量程重铬酸银剂量计，剂量率范围为5～1 000 Gy/h。具体参数设计如表1所示。

实验放射源为60Co，采用单栅板式平面排列504支源棒，分4层排列，每层2门，每门63支，每2支间距21 mm。放入实验平台前，需要在工作人员的指导下将放射源降到源罐下方水槽中，静置5 min后进入辐照室，利用辐照室剂量率分布图以及激光测距仪将平台放在指定位置，放射源提升时间为25 s。

2.2 辐照试验

辐照实验在湖南省浏阳市辐照中心进行，将已搭建完成的实验平台放置在指定位置上，传感器正对放射源侧面，如图1所示。使用激光测距仪，并通过计算来确定传感器的初始位置，再利用低量程重铬酸银剂量计（0.4～5 kGy）吸收的累积剂量除以辐照时间计算实际剂量率，进而确定传感器的实际耐辐射总剂量。由于传感器在固定范围内往复运动并且在近距离中剂量率几乎相同，因此可以假设传感器在相同位置处接收到的剂量率没有变化。

图1 传感器位置图

由于辐照损伤容易影响实验正常进行，因此将信号采集系统放置于辐照室外。实验中需要改变传感器的剂量率，因此在实验中多次改变传感器放置点以达到目的，各放置点的剂量率梯度分别为25 Gy/h、50 Gy/h、75 Gy/h、100 Gy/h，实验方案中已写明传感器无任何信号输出作为终止标志，通过上述方法来验证倾角传感器的耐辐射总剂量，进而减小随机误差。

2.3 结果与讨论

在表1所示的实验条件下，经测试SDA126T、HCA726S两种倾角传感器无信号输出时辐照累积剂量如表2所示。

表2 倾角传感器耐辐射总剂量

根据表2中的数据可以得到传感器的耐辐射总剂量与剂量率之间的关系曲线，如图2所示。从表2中数据可以得出，SDA126T、HCA726S两种倾角传感器实际总剂量存在一些波动，但差别不大。

图2 剂量率与总剂量关系图

根据剂量率效应相关理论可知，经辐照后，在以半导体、金属涂层以及高聚物为基体的传感器中，氧化物陷阱电荷即时产生并发生复合，其迁移和俘获也是在相对较短时间内完成的，因此剂量率并不影响空穴-电子对的产生。但在高剂量γ射线辐照环境中工作，短时间内，MOS结构中会产生更多的正电荷并向界面处聚集形成电场，由此引起更多的电荷在界面处移动，最终发生“饱和”现象。在较小剂量率γ射线辐照环境中，因辐照时间较长引起退火，传感器性能在一定程度上有所恢复，从而使辐照总剂量偏高一些。

在传感器输出信号时，收集信号并通过编程转化为图像展示传感器角度变化情况，通过分析可得损伤分为四个过程：①通过图像可知传感器波形基本没有变化，能保持相对稳定的幅值及相位；②辐照累积剂量达到耐辐照总剂量一半时，幅值和相位开始改变；③辐照累积剂量达到耐辐照总剂量时，产生激荡信号，计算误差较大，此时已经无法通过算法修复数据，可初步判定传感器损伤；④传感器无信号输出，彻底损伤。

此外，部分情况下，经高剂量γ射线辐照，传感器受到射线能量冲击影响，直接产生激荡信号，这时只需重启传感器即可恢复。将传感器的四个损伤过程图像化如图3和图4所示。

图3 传感器损伤过程表征图

图4 传感器激荡信号变化图

在本次实验中，以倾角传感器是否还有正常工作能力作为判别标准，损伤初期倾角传感器仍有信号输出。根据本次实验可得：损伤标志可定义为传感器采集数据输出正弦波幅值或相位发生改变，半导体结构易受到辐照损伤；辐照累积剂量达到一定值则会使传感器丧失原有设定功能，致使传感器失效。

3 总结

对HCA726S和SDA126T两种倾角传感器进行了耐辐照实验，进而可以得出以下几点：①倾角传感器的耐辐射性能属于固有属性，但因制造工艺参数的异同而使得个体存在差异；②通过辐照实验测量并计算得到HCA726S和SDA126T倾角传感器的平均耐辐射总剂量分别为429 Gy、565 Gy；③HCA726S和SDA126T倾角传感器的辐照损伤均以总剂量效应为主，剂量率对传感器的耐辐射总剂量基本没有影响，因而在某些特定环境下可忽略剂量率带来的差异及影响；④当剂量率较低时，因辐照时间相对较长，传感器自身存在退火现象，从而耐辐照性呈现增强趋势。