原位自生铝基复合材料γ射线屏蔽性能研究

范文杰，孟晓峰，李宜全，郭 健

（北京普达迪泰科技有限公司，北京 100086）

1 研究背景及意义

作为核电站安全运行和维护的一种必要监控和保障手段，数字摄像、照相机正得到越来越广泛的应用。但是与日常生活环境截然不同，放射性环境对数字相机的性能提出了更多、更苛刻的要求，例如底层半导体元器件的抗辐照设计等。在放射性环境中服役的数字相机除了其自身要经过特殊的抗辐照设计以外，还需在其外面覆盖抗辐射的相机壳体（一般由承重结构件复合铅板组成）。传统相机壳体的承重结构一般为不锈钢或铝合金材质。不锈钢壳体强度和刚度高，但是质量大，铝合金壳体屏蔽γ射线的能力较差，且强度和刚度有限。

原位自生铝基复合材料是由上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室特种材料研究所4代科研工作者历经25年时间开发研制的一种先进的新型结构材料。由原位自生纳米TiB2陶瓷颗粒增强的铝基复合材料，具有高强度、高刚度、低密度、高阻尼、高抗疲劳等优良的力学性能，具有巨大而广泛的工业应用前景。利用该复合材料代替传统相机壳体材料，可以在保证承重结构刚度和强度的前提下，有效减小整个相机的质量。如果该复合材料对γ射线的屏蔽性能亦有较好表现的话，将会成为一种全新的、具有重要意义的耐辐照相机壳体材料。

2 研究目的

通过CMOS相机在不同剂量率γ射线下的照射实验来探究原位自生铝基复合材料作为耐辐照相机壳体承重结构的可行性。

3 研究材料（见表1）

表1 测试材料列表

4 实验方案

把表1中的实验材料分别加工成如图1所示的空心圆柱形壳体，将CMOS相机封闭于其中，然后依次放置在5个不同剂量率的测试点位进行γ射线辐照测试。γ射线会在相机的暗场图像中引起噪点，通过图像处理软件可以对噪点进行定量分析。通过分析原位自生铝基复合材料对噪点的抑制效果，可以定量地获得到复合材料对γ射线辐照下CMOS相机的降噪效果。

图1 CMOS相机γ射线辐照测试的示意简图

实验过程中，CMOS相机采集照片的频率设为120 fps。为了满足统计意义，每个测试点位的数据为10张照片的统计结果。

5 结果及分析

通过Fiji-ImageJ软件对辐照测试中CMOS相机所采集到的暗场图片进行处理。首先将源图片转化为RGB格式，再将其转化为8-bit灰度图。通过选取合适的门槛值（Threshold），把灰度图进一步转化为二值图。经过对多张源图片的仔细分析和观察，threshold=16被认为是一个合适的门槛值。统计二值图中的斑点，可以获得源图片中闪光点的数量信息。考虑到CCD可能存在坏点等情况，无任何辐照条件下相机暗场图像中统计到的闪光点被用来做为参考值。

各组实验结果的信息汇总于表2中。

表2 不同屏蔽材料在不同测试点位的CMOS相机γ射线辐照测试结果（120 fps）

表2中的数据表明，8%TiB2/2024（挤压态）复合材料在位置1到位置4的表现，其降噪效果跟同等厚度的铅具有相当的可比性。当到达位置5时，由于辐射剂量率过大，8%TiB2/2024（挤压态）复合材料的降噪效果骤降为1.3%，可以判定为失效。值得注意的是，同等厚度的铅在位置5的降噪效果也仅为14.9%。

相比之下，6%TiB2/7075（挤压态）复合材料的降噪效果要比8%TiB2/2024（挤压态）复合材料差很多，其在位置4就已经失效了。

6 结论

本实验的结果表明，8%TiB2/2024（挤压态）复合材料在相当剂量率的γ辐射环境下，对于CMOS相机采集的图像均具有较好的降噪效果，跟传统屏蔽材料铅具有一定的可比性。8%TiB2/2024（挤压态）复合材料具有高强度、高刚度、低密度、高阻尼、高抗疲劳等优良的力学特性，加之此次实验初步确定的较好的对辐照环境下CMOS相机图像的降噪效果，这为发展新型耐辐照相机壳体材料及耐辐照承重结构材料带来一种极具吸引力的可能。

由于γ射线引起CMOS相机采集的图片出现噪点的原因较为复杂（包括光电效应、康普顿效应及电子对效应），因而，次实验的结果仅能从某种程度反应原位自生铝基复合材料的降噪性能，并不能精确反应其对γ射线的屏蔽性能。因而，要将原位自生铝基复合材料发展为新型屏蔽材料，还需要开展更直观、更有效的屏蔽性能测试实验。