一种用于核辐射环境下的超声探头

一种用于核辐射环境下的超声探头

摘要：本文介绍了一种核辐射环境下使用的超声探头，通过具体的对比试验验证了该探头的抗核辐射效果。

关键字：超声探头，抗核辐射超声探头，在线监测，压电超声

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背景介绍

抗辐射超声检测技术广泛用于航天，核电和核动力等环境恶劣场合。为使超声探头能在包括核辐射，核爆照和空间辐射等各种环境下稳定工作必须对压电材料辐射损伤机理进行深入研究探讨并采取进一步的抗辐射加固技术使得超声探头能在高辐射剂量下能长时间稳定工作。

核辐射环境下，大量高能带电粒子入射到超声探头的压电材料中，激发压电材料中的电子从价带越过禁带到导带，从而产生大量电子-空穴对。辐照期间，电子因质量较轻逃逸，空穴质量大容易被晶界处和上下电极界面的空位缺陷俘获，正电荷大都被晶粒上的缺陷所俘获。根据辐射理论，被俘获的电荷形成附加电场抵消自发极化，从而导致压电性能急剧下降。

本文介绍一种新型压电超声探头，采用多层压电结构制作，温度范围可从-40℃-550℃，并且可在伽马射线10.9MGy与中子辐射2.6X1018c-2状态下正常工作，信号几乎不受影响。

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试验条件

抗辐射超声探头： 17.5 mm外径，10 m长屏蔽线，集成10 mm厚不锈钢被测试块

A波采集条件：激励电压12V负方波，脉宽100ns,采样频率为20MS/s，获取原始A扫数据。

根据EN-12668-2标准测试得到的四个抗辐射超声探头参数：

试样提供的两个辐射源：

A． 钴-60 辐照源，计量速率367 Gy/min,对探头辐照500 小时，总的辐照剂量约10.9 MGy

两个抗辐射超声探头安装位置距离钴-60 辐照源1 cm和2 cm处，每30分钟采集一次A扫信号。

B. 伽马（11 MGy）和中子（2.6x1018 n.cm-2）反应池,辐照超过100 小时。

   两个抗辐射探头插入250KW反应池的中央管，第一天每10分钟采集一次A扫数据，之后每30分钟采集一次A扫数据。反应池包含60根燃料棒（12 wt%铀和20 wt%浓缩铀与氢化锆均匀混合）

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试验结果

A. 钴-60 辐照源结果

图中，灰色的线为辐照前的信号，红色为辐照后的信号，蓝色为普通的超声探头辐照后的信号。可以看出在500小时10.9MGy剂量辐射影响下，新型抗辐射压电探头信号几乎没有受到影响。

在Co-60伽马射线源500小时长时间照射下长时间照射，探头上总剂量为10.9MGy剂量下， 1号与2号探头信噪比没受影响。

B:反应池辐照试验结果：

图中，灰色的线为辐照前的信号，红色为辐照后的信号，蓝色为普通超声压电探头辐照后的信号。可以看出在伽马射线辐照剂量 11MGy与中子辐射剂量2.6X1018n.cm-2后，新型抗辐射压电超声探头信号几乎没有受到影响。

3号与4号探头辐照后信噪比没受影响不大。

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结论

传统的压电探头在高辐射环境下没有信号或者信号微弱，目前只能采用人工手动逐次进行测量，新型的压电探头就避免了这点，有极强的抗辐射能力，可直接布局在被检测区域在线监控，减少了操作人员在复杂辐射环境中的暴露危险，同时大大减少了测试的时间。

信息来源：瑞泰克（中国）有限公司