研究：暴露于中子和伽馬輻射的熔融石英和藍寶石的光學(xué)吸收以及同時熱退火。圖片來源：RHJPhtotos

通過同時和輻照后熱退火研究了集成二氧化硅和藍寶石的輻射誘導(dǎo)衰減 (RIA)。研究人員發(fā)現(xiàn)同時輻照熱退火和輻照后熱退火在二氧化硅和藍寶石的光學(xué)行為方面存在重大差異。

該研究在選擇和放置用于開發(fā)光學(xué)儀器應(yīng)用(例如聚變或裂變反應(yīng)堆)的光學(xué)材料方面具有廣闊的潛力。它還幫助研究人員了解輻射對此類光學(xué)材料的影響。

熔融石英和藍寶石等光學(xué)材料中的輻射引起的衰減通過減少核反應(yīng)堆儀器檢查停機的頻率，可以顯著提高核反應(yīng)堆的輻射安全和經(jīng)濟性能，從而可以在線監(jiān)測關(guān)鍵反應(yīng)堆部件。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜 (LIBS) 可以通過在反應(yīng)堆運行時對反應(yīng)堆冷卻劑的化學(xué)成分進行光譜研究來識別核反應(yīng)堆部件的退化。

在適當(dāng)?shù)牟僮髟O(shè)置下了解光纖和透鏡等光學(xué)材料的輻射效應(yīng)至關(guān)重要，因為基于 LIBS 的儀器需要通過這些光學(xué)材料傳輸?shù)入x子體發(fā)射和高能激光脈沖。

二氧化硅和藍寶石等普通光學(xué)材料具有光學(xué)特性，包括衰減和折射率，當(dāng)暴露于核反應(yīng)堆中的離子輻射效應(yīng)時，這些特性會發(fā)生變化。

已經(jīng)對集成二氧化硅和藍寶石在受到中子和伽馬射線照射然后進行熱退火時的輻射誘導(dǎo)衰減 (RIA) 和輻射效應(yīng)進行了多項研究。然而，由于輻照、檢查和熱退火之間的時間相當(dāng)長，沒有關(guān)于光學(xué)材料在同時高溫和輻射效應(yīng)下的原位行為的數(shù)據(jù)。

當(dāng)前研究中的研究人員使用高羥基含量的 Heraeus Spectrosil 2000 集成二氧化硅 (S2000)、低羥基含量的 Heraeus Infrasil 302 集成二氧化硅 (I302) 和光學(xué)類藍寶石進行了 220 nm 至 1100 nm 的 RIA 測量。這些光學(xué)材料在高達 800? C 的后輻照和同時輻照熱退火下暴露于中子和伽馬輻照下，以觀察它們的輻射效應(yīng)。

二氧化硅和藍寶石光學(xué)吸收的實驗裝置第一個測量吸收的實驗裝置包括一個覆蓋 220-1100 nm 光譜范圍的 Ocean Insight HR4000 光譜儀和一個 Ocean Insight 鹵素/氘光源。

第二個實驗裝置包括一個安裝在60 Co 池干管上方的退火爐，用于光學(xué)材料的同步和后熱退火。

目前的研究在俄亥俄州立大學(xué)核反應(yīng)堆實驗室的核反應(yīng)堆和60 Co 輻照池中進行了輻照。在包含60 個Co 伽馬源的圓柱形夾具的幫助下，一個 I302 樣品在賓夕法尼亞州立大學(xué)輻射科學(xué)與工程中心暴露于 10Mrad 的輻照下。

使用具有二氧化硅-氧化鋁絕緣的特制碳化硅線圈爐對樣品進行干燥和空氣中的退火。

這些熔爐被建造成適合60 Co 池和核反應(yīng)堆干管內(nèi)，以同時對樣品進行熱退火和輻照。

在輻照后退火實驗中，在每次輻照劑量后將樣品加熱到指定的溫度。

相反，在同時退火的情況下，樣品在輻照過程中被連續(xù)加熱到指定的溫度，直到達到列出的劑量。

光學(xué)儀器在裂變和聚變應(yīng)用中的發(fā)展?jié)摿υ撗芯空故玖送瑫r輻照和熱退火的后果以及對光學(xué)漸變藍寶石、I302 和 S2000 的輻射效應(yīng)。

該團隊觀察到這些光學(xué)材料在同時和輻照后熱退火條件下的行為的關(guān)鍵區(qū)別。

在 S2000 的情況下，對 n 劑量 1 和 2 進行輻照后 600 ?C 的熱退火將材料恢復(fù)到未輻照的形式。在 800 ?C 時，具有相同劑量的同時輻照熱退火樣品保留了紫外線范圍內(nèi)的輻射誘導(dǎo)衰減。

在 n-Dose 1 和 n-Dose 2 的同時輻照熱退火下，I302 還顯示出 220 nm 至 900 nm 之間的平衡輻射誘導(dǎo)衰減光譜，這與 I302 主要恢復(fù)的輻照后熱退火情況相反退火至 800 ?C 后變?yōu)槲摧椪諣顟B(tài)。

與等效劑量輻照后熱退火情況相比，在加熱到 800 ?C 后樣品幾乎退火到其未輻照狀態(tài)，藍寶石在 n-Dose 1 和 2 的同時輻照熱退火中顯示出可能的平衡輻射誘導(dǎo)衰減范圍退火條件。對于該光譜，在 260 nm 處獲得了殘余吸收峰，而在 300 nm 處獲得了增加的吸收峰。

當(dāng)前研究的最初目標是在高放射性和熱環(huán)境中支持基于 LIBS 的儀器，以承受顯著的輻射效應(yīng)。

比較作為樣品的光學(xué)材料的吸收光譜表明，S2000 是實現(xiàn)基于 LIBS 的儀器的最理想材料，最高退火溫度為 800 ?C，中子注量為 1.7 x 10 17 n。厘米-2。

在 532 nm 和 1064 nm 的相關(guān) LIBS 波長下，S2000 僅顯示邊緣輻射引起的衰減。在同時輻照熱退火下，I3O2 產(chǎn)生了高達 900 nm 的相當(dāng)大的輻射誘導(dǎo)衰減，這可能會限制 532 nm 的 LIBS 激光器。

與報道的 S2000 中沒有明顯的輻射誘導(dǎo)衰減相比，藍寶石在 532 nm 或 1064 nm 處沒有表現(xiàn)出同時輻照熱退火的輻射誘導(dǎo)衰減。UV 范圍內(nèi)的殘余輻射引起的衰減峰可能會干擾 LIBS 等離子體光譜。

參考BW Morgan、MP Van Zile、CM Petrie、P. Sabharwall、M. Burger、I. Jovanovic，暴露于中子和伽馬輻射下的熔融石英和藍寶石的光學(xué)吸收以及同時熱退火。2022.核材料雜志。