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PROCEDE POUR DETERMINATION DE LA DOSE D'UNE RADIATION
IONISANTE ET CAPTEUR A FIBRE OPTIQUE (DES VARIANTES DE
SA REALISATION)
La présente invention se rapporte à l'optique des fibres et aux mesures des radiations nucléaires et des rayons X.
L'on connait dans l'antériorité un procédépour détermination de la dose d'une radiation ionisante, lequel procédé consiste
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a placer un conduit de lumière Na fibre optique comprenant un noyau en verre de quartz dopé d'une impureté de dopage sur le
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trajet d'une radiation ionisante, et Na mesurer les variations de l'absorption optique dans le conduit de lumière pour pouvoir juger sur la dose de la radiation ionisante, du phosphore étant utilisé en tant que ladite impureté de dopage (voyez, par exemple, H. Henschel, 0. Kohn, H. U. Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Méthode in Physics Research, vol. B69, pp. 307-314, 1992), ou bien ladite impureté de dopage étant représentée par du plomb (H. Harald, F.W.
Haesing, E, Gerhard
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"Compensation of fading effects of radiation-indAced loss by multiple wavelengths measurements", Proc. SPIB, vol. 1795, pp.
296-302, 1993) ou bien par les terres rares (H. Henschel, 0. Kohn, H. U. Schmidt, J. Kirchhof, S. Unger "Radiation-induced loss of rare earth-doped silica fibres", 4th European Conférence on Radi-
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ations and their Effects on Deviees and Systems, (RADFCS'97), Cannes, 16-19 Sept. 1997, Abstracts, pp. KIO-K13). Les impuretés de dopage engendrent dans le verre de quartz des centres colorés de radiation a longue période .
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Le défaut de procédé d'anteriorité citée réside dans le fait que de tels centres colorés sont sujet a une décomposition thermique. Comme résultat, il y a des erreurs lors des mesures d'une dose, les indications d'un dosimetre dépendent de la puis- sance de la dose d'une radiation ionisante et des variations de la température, et les indications sur une dose absorbée sont partiellement effacées lorsque l'irradiation est cessée.
Lorsque l'on effectue les mesures de longue durée de larges doses (D > 300 Gr) et lorsque les doses va mesurer ont de faibles puissances dues à la décomposition thermique des centres colores, l'on observe l'effet de saturation d'absorption induite, ce qui rend impossible, en principe, la dosimétrie de larges doses aux faibles puissances d'une dose (H. Henschel, 0. Kohn, H. U. Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. B69, pp. 307-314, 1992).
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L'on connait également dans l'antériorité' un procédé pour détermination de la dose d'une radiation ionisante, lequel pro- cédé* s'approche de plus pres du procédé' revendiqué et consiste va placer un conduit de lumière va fibre optique ayant un noyau en verre de quartz contenant une impureté de dopage sur le trajet d'une radiation ionisante, et \ mesurer les variations de l'absorp-
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tion optique dans le conduit de lumière Na fibre optique a au moins deux longueurs d'onde pour pouvoir juger sur la dose de la radia- tion ionisante (H. Harald, F.W. Haesing, E. Gerhard "Compensation of fading effects of radiation-induced loss by multiple wavelengths measurements", Proc. SPIE, vol. 1795, pp. 296-302,1993). Dans le cas cité le conduit de lumière était dope avec du plomb.
Le défaut de ce procédé d'antériorité réside dans le fait que, bien que la précision de détermination d'une dose est supérieure à celle qui peut être atteinte si les mesures de l'absorption optiques ne sont effectuées qu'a une seule longueur d'onde, les indications du dosimetre, comme auparavant, dépendent de la puis- sance de la dose d'une radiation ionisante et des variations de la température, tandis que les indications sur la dose absorbée sont partiellement effacées lorqsue l'irradiation est cessée.
En ce qui concerne le capteur revendique, l'on connaît dans l'antériorité un capteur a fibre optique d'une radiation ionisante qui s'approche de plus près de l'invention revendiquée et qui
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comprend un conduit *a fibre optique ayant un noyau en verre de quartz dopé (H. Henschel, 0. Kohn, H. U. Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. B 69, pp. 307-314, 1992). Le conduit de lumière a fibre optique du capteur d'antériorité citée contient du phosphore en tant qu'impureté de dopage.
Le défaut du capteur d'antériorité citée réside dans le fait que les centres colores induits par une radiation ionisante sont sujets va une décomposition thermique, d'ou proviennent des erreurs lors des mesures d'une dose, les indications du dosimetre dépendent de la puissance de la dose d'une radiation ionisante et des variations de la température, alors que les indications sur une dose absorbée sont partiellement effacées des que l'irradiation est cessée.
La présente invention a pour but de mettre au point un tel procédé pour détermination de la dose d'une radiation ionisante qui permettrait d'améliorer la fiabilité des mesures, independem-
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ment des conditions d'irradiation , en établissant une liaison explicite et non-équivoque entre les variations de l'absorption optique dans un conduit de lumière a fibre optique et la dose absorbée d'une radiation ionisante.
Le problème technique ainsi formule est résolu grâce au fait que dans le procédé en soi connu pour détermination de la dose d'une radiation ionisante, procède consistante placer un con- duit de lumière a fibre optique ayant un noyau en verre de quarts dope'd'une impureté de dopage sur le trajet d'une radia- tion ionisante et à mesurer les variations de l'absorption
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optique dans ledit conduit de lumière va fibre optique 'a au moins deux longueurs d'onde pour pouvoir juger sur la dose de la radia- tion ionisante, conformément à la présente invention, l'on place sur le trajet de la radiation ionisante un conduit de lumière \ fibre optique contenant de l'asote et/ou de l'hydrogène en tant qu'impuretés de dopage,
de manière que les concentrations en ladite impureté de dopage soient différentes l'une de l' autre dans le noyau et l'enveloppe du conduit de lumière à fibre optique, les mesures des variations de l'absorption optique
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dans le conduit de lumière fibre optique étant effectuées dans les bandes d'absorption des radicaux OH et/ou NH.
Il est utile que les concentrations moyennes en hydrogène, en tant qu'impureté'de dopage, dans le noyau et l'enveloppe différent l'une de l'autre par plus de 2 fois.
Il est utile que la concentration moyenne en hydrogène, en tant qu'impureté' de dopage, dans le noyau et l'enveloppe soit
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supérieure 'a 5 PPK, c'est-"à-dire au moins cinq atomes d'hydrogène seraient présents par un million d'atomes constituant le réseau cristallin du verre.
Il est utile également que l'on place sur le trajet d'une radiation ionisante un conduit de lumière à fibre optique, l'
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ébaué dûqûel eté fabriquée v partir d'un tube quarts ébauche duquel a ete fabriquée a partir d'un tube en quarts
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de support (de départ) ayant une teneur en radicaux OH égale "a au moins 100 pp , c'est â-dire plus de cent radicaux OH seraient présents par million d'atomes constituant le réseau cristallin du verre.
Il est préférable que l'on place sur le trajet d'une radiation
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ionisante un conduit de lumière V fibre optique contenant, \ titre supplémentaire, une enveloppe tampon interposée entre le noyau et l'enveloppe.
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Il est utile que l'épaisseur de l'enveloppe tampon ne soit pas supérieureà 10 mcm.
Il est également utile que le noyau du conduit de lumière a fibre optique soit dopé tant par l'azote que par l'hydrogène.
Il est utile que l'on place sur le trajet d'Ane radiation ionisante un conduit de lumière à fibre optique dont le noyau ait une teneur totale en radicaux OH et NH supérieure à 10 ppm, ce qui signifie que plus de dix radicaux OH et NH, pris ensemble, seraient présents par million d'atomes constitu- ant le réseau cristallin du verre.
Il est utile que les variations des pertes optiques dans le
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conduit de lumière à fibre optique soient mesurées dans au moins deux bandes d'absorption des radicaux OH.
Il est utile que les variations des pertes optiques dans le conduit de lumière a fibre optique soient mesurées dans au moins deux bandes d'absorption des radicaux NH.
Il est utile que les variations des pertes dans le conduit de lumière à fibre optique soient mesurées dans au moins deux bandes d'absorption, dont l'une représente une bande d'absorp- tion des radicaux NH, tandis que l'autre représente celle d' absorption des radicaux OH.
Il est utile que les variations des pertes optiques dans le conduit de lumièreà fibre optique soient mesurées \ des longu- eurs d'ondes comprises dans les gammes spectrales s'étendant
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de 1,360 a 1,395 mcm, de 1 , 380 \ 1,430 mcm, de 1,475 a 1,510 mcm et/ou de 1,490 'à 1,560 mcm.
Il est utile que les variations des pertes optiques dans le conduit de lumière va fibre optique soient mesuréesà au moins trois-, longueurs d'onde, dont une première est compise dans la
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gamme spectrale s'étendant de 1,420\ 1,470 mcm, une deuxieme- dans la gamme de 1,480 va 1,530 mcm, et une troisième - dans la gamme de 1,540 a 1,600 mcm.
Il est utile que les variations des pertes optiques dans le conduit de lumièrea fibre optiques soient mesuréesa au moins trois longueurs d'onde, dont une première est comprise dans la gamme spectrale s'étendant de 1,300 a 1,370 mcm, une deuxième - dans la gamme de 1,360 à 1,410 mcm, et une troisième - dans la gamme de 1,410 à 1,460 mcm. ionisante
Afin de déterminer la distribution spatiale d'une radiation il est utile que les variations de l'absorption optique dans le
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conduit de lumiére â fibre optique soient mesurées par la méthode
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la méthode de diffusion vers l'arriére.
Le problème technique ainsi formulé' est aussi résolu grâce
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au fait que le capteur en soi connua fibre optique destine a mesurer une radiation ionisante et comprenant un conduit de lumière a fibre optique ayant un noyau en verre de quartz dopé, selon la présente invention, contient, en tant qu'une impureté*' de dopage, de l'hydrogene dans une quantité de 1 sa 1000 ppm.
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En particulier, dans le conduit de lumière Na fibre optique seulement son noyau ou son enveloppe peut 'être dopé.
Le problème technique formulé' ci-dessus est aussi résolu grâce au fait que le capteur en soi connua fibre optique des- tine a mesurer une radiation ionisante et comprenant un conduit de lumière a fibre optique ayant un noyau en verre de quartz dope, selon la présente invention, contient, en tant que des impuretés de dopage, de l'azote dans une quantité de 0,1 a 3% atomiques et de l'hydrogène dans une quantité de 10 à 200 ppm, tant l'azote que l'hydrogène servantà doper le noyau.
En particulier, afin de déterminer la distribution spatiale
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d'une radiation ionisante, le conduit de lumière fibre optique peut être enroulé-en au moins une botte, de manière que la lon- gueur du tronçon du conduit de lumière a fibre optique enroule en la botte peut 'être beaucoup moindre que la longueur totale
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du conduit de lumière fibre optique.
Les inventions revendiquées sont entr'reliées par une conception inventive commune et elles sont relativesa un procédé pour détermination de la dose d'une radiation ionisante et aux
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variantes de réalisation des deux dispositifs destines Na mettre en oeuvre le procédé revendique.
L'essence des inventions revendiquées réside dans le fait d' utilisation d'un phénomène physique, selon lequel l'hydrogène, lié des l'origine dans le conduit de lumièreà fibre optique, essentiellement sous forme des radicaux OH, devient mobile sous
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l'effet d'une radiation ionisante, c'eet â-dire la liaison de l'oxygène et d'hydrogène est rompue et les atomes d'hydrogène se diffusent (voyez, par exemple, A.L. Tomashuk, E.M. Dianov, K. M.
Golant, R.R. Khrapko, D. E. Spinov "Performance of spécial radiation-hardened optical fibres intended for use in the telecom spectral Windows at a megagray level", 4th European Conférence on Radiations and their Effects on Devices and Systems (RADECS'97), Cannes, 16-19 Sept. 1997, Abstracts, pp. K17-K18). Selon cet effet,
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les atomes d'hydrogene passent du noyau dans l'enveloppe du conduit de lumière à fibre optique ou en sens inverse conformé- ment au gradient de concentration en hydrogène (l'effet de diffu- sion radiolytique de l'hydrogène) pour y être de nouveau lies dans les radicaux OH. A la suite de cet effet, l'absorption dans le noyau du conduit de lumière sa fibre optique dueà ces radicaux subit un changement.
La présence des radicaux OH dans le noyau du conduit de lumière a fibre optique se manifeste par la présence de plusieurs bandes d'absorption dans la région spectrale IR proche, ces bandes étant dues aux variations des radicaux OH. Les pics (peaks) de ces bandes d'absorption se situent au voisinage de 0,95 mcm, 1,13 mcm, 1,24 mcm et 1,39 mcm (J. Stone "Interaction of hydrogen and deuterium with silica optical fibres : a review", J. Lightwave Technology, vol. 5, pp. 712-733,1987).
L'effet de diffusion radiolytique de l'hydrogène devient manifeste, si la distribution de l'hydrogène lié n'est pas uni-
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forme par la section du conduit de lumi\ere a fibre optique, par exemple, lorsque son enveloppe est fabriquée en un verre de quartz "humide" (une haute concentration en radicaux OH), alors que son noyau est fabriqué en un verre de quarts "sec" (la teneur en radicaux OH est portée au minimum). Lors de la procédure d' irradiation, les amplitudes des bandes d'absorption des radicaux
OH augmentent dans le spectre des pertes optiques totales. En mesurant l'amplitude ou la raideur du front de l'une des bandes d'absorption des radiacux OH, l'on détermine la dose totale d' une radiation ionisante absorbée par le conduit de lumière a fibre optique. Si le noyau de ce dernier contient de l'azote (voyez E. M. Dianov, K.
M. Golant, A.S. Kurkov, R. R. Khrapko,
A. L. Tomashuk "Low-hydrogen silicon oxynitride optical fibres prepared by SPCVD", J. Lightwave Technol., vol. 13, No 7, pp.
1471-1474, 1995), alors, sous l'effet d'une radiation ionisante, l'on observe une autre manif estation de la mobilité de l'hydro- gène, a savoir: les radicaux OH, se trouvant eux aussi dans le verre constituant le noyau du conduit de lumière, se transforment en radicaux NH ou vice versa en fonction des conditions opératoires utilisées pour la fabrication des ébauches (préformes) des con- duits de lumière a fibre optique. Les bandes d'absorption des radicaux NH sont quelque peu décalées par rapport aux bandes res- pectives des radicaux OH et ont leurs pics (peaks) au voisinage
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de 1,03 mcm, de 1,17 mom, de 1,28 mcm et de 1,50 mors.
A la suite de l'effet radiolytique de re-dietriïution des atomes d'hydro- gène entre les radicaux OH et NH, le rapport des amplitudes des bandes d'absorption des radicaux OH et NH est changé.
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La plus grande sensibilité du capteur dosimétrique'a fibre optique est atteinte, lorsque les mesures de l'absorption sont effectuées dans les bandes d'absorption ayant la plus grande amplitude, notamment: dans une bande ayant un pic au voisinage de 1,39 mcm dans le cas des radicaux OH et un pic au voisinage de 1,50 mcm dans le cas des radicaux NH.
Cependant, dans les cas ou les pertes optiques totales au voisinage de 1,39 mcm ou de 1,50 mcm excédent le niveau admissible du système de mesure avec des larges doses d'irradiation du capteur a fibre optique, le meilleur résultat peut 'être atteint lors de l'utilisation d' autres bandes d'absorption des radicaux OH ou NH ayant une moindre amplitude.
Le problème technique formule ci-dessus peut 'être résolu grâce Na l'irréversibilité des changements qui ont lieu dans le noyau et l'enveloppe du conduit de lumière a fibre optiquea la suite de la diff usion de l'hydrogène ou de sa re-distribution entre les radicaux OH et NH sous l'action d'une radiation ionisante.
Etant donné que d'autres effets,tel que l'effet de décomposition thermique des centres colorer sont absents, alors, par conséquent, les amplitudes des bandes d'absorption des radicaux OH et NH qui subissent des variations se trouvent liées d'une manière explicite et non-équivoque a la dose d'une radiation ionisante absorbée par le conduit de lumière à fibre optique, indépendamment de la puissance de la dose et d'autres conditions d'irradiation, ce qui garantit, une stabilité à longue échéance des indications du dosimetre.
Comme nos expérimenta le font voir, la stabilité
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des indications du capteur doaimétrique â fibre optique a lieu même si la température est élevée jusqu'à au moins 200 C.
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Par surcroît, les conduits de lumière Na fibre optique dopes à' azote sont considérablement meilleur marché que les conduits de lumière dopes avec du phosphore, du plomb ou des terres rares.
Dans ce qui suit, la présente invention est illustrée par des dessins et par la description des variantes concrètes de sa mise en oeuvre, avec référence aux dessins correspondants, sur lesquels:
La figure 1 représente un capteur\ fibre optique d'une radia- tion ionisante, selon la présente invention ;
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La figure 2 représente un capteur\ fibre optique d'une
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radiation ionisante, pourvu, Na titre supplémentaire, d'une enveloppe tampon, selon la présente invention;
La figure 3 représente le profil de l'indice de réfraction du capteur a fibre optique d'une radiation ionisante, représenté sur la figure 1, selon la présente invention ;
La figure 4 représente le profil de l'indice de réfraction du capteur\ fibre optique d'une radiation ionisante, représente* sur la figure 2, selon la présente invention;
La figure 5 représente l'organigramme du dispositif pour la
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mise en oeuvre du procède' des mesures par la méthode d'H échappée de lumière", selon la présente invention;
La figure 6 représente l'organigramme du dispositif pour la mise en oeuvre du procède' des mesures par la méthode de diffusion vers l'arriére par l'utilisation d'un conduit à fibre optique enroulé en une botte, selon la présente invention;
La figure 7 représente l'organigramme du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé des mesures par la méthode de diffusion vers l'arriére en utilisant un conduit de lumièreà fibre optique tendu le long du périmètre d'un territoire a contrôler, selon la présente invention ;
La figure 8 représente les résultats des mesures de la dose de la radiation gamma émise par une source Co a l'aide du
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capteura fibre optique (la figure 4) par la méthode d'"echappée de lumière" (la figure 5) par l'utilisation des bandes d'absorption des radicaux OH, selon la présente invention;
La figure 9 représente les résultats des mesures de la dose de la radiation gamma émise par une source 60Co à l'aide du
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capteur \a fibre optique (selon la figure 3) par la méthode d' 11 échappée de lumière" (la figure 5) par l'utilisation des bandes d'absorption des radicaux NH, selon la présente invention.
Le capteur \ fibre optique d'une radi ation ionisante comprend un conduit de lumière à fibre optique 1 (la figure 1) constitué d'une enveloppe 2 et d'un noyau 3. La figure 3 représente le profil correspondant de l'indice de réfraction. Selon une variante de réalisation alternative (la figure 2), le conduit de lumière 1 a fibre optique comprend en outre une enveloppe tampon 4. Le profil correspondant de l'indice de réfraction est montré sur la figure 4. L'existence de cette enveloppe tampon supplémentaire 4 ayant un indice de réfraction réduit, par exemple, une enveloppe
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tampon en fluorosilicate, est nécessaire pour retenir la lumière dans le noyau.
En particulier, la présence d'une telle enveloppe est nécessaire, si l'enveloppe 2 est constituée par le matériau d'un tube en quarts de support, alors que le noyau en quarts ne contient pas suffisamment d'additifs de dopage susceptibles d'augmenter l'indice de réfraction.
Une fois le capteur a fibre optique fabriqué et avant qu'il soit installé'-pour les mesures dosimetriques, l'on détermine deux ou trois longueurs d'onde , auxquelles l'on a l'inten- tion d'effectuer les mesures des variations de l'amplitude ou de la raideur de front d'une telle ou telle bande d'absorption des radicaux OH ou NH. Dans ce but, en utilisant les méthodes en soi connues, l'on mesure les spectres des pertes optiques
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cl (ii , D) dans le conduit de lumière a fibre optique à des doses absorbées différentes de la radiation ionisante D.
Si l'on a l'intention de travailler à deux longueurs d'omde, alors ces n @ logueurs d'onde doivent être placées le plus près possible d'une de l'autre sur le front d'une bande d'absorption des radicaux
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OH ou NH z titre d'exemple, A 1 = 1,375 mcm et A 2 = 1,385 mcm dans le cas des radicaux OH et # 1 = 1,480 mcm et/\2 = 1,490 mcm dans le cas des radicaux NH).
Les résultats des mesures des pertes optiques α (#, D) sont utilisés pour construire une dé'pendence d'étalonnage (calibrage) de l'amplitude ou la raideur de front d'une bande d'absorption correspondante en fonction de la dose /1 (D) :
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A (D) 0( (À2, D) - d ( Âj, D) (I)
Si l'on travaille \ trois longueurs d'onde, les mesures des variations de l'amplitude ou de la raideur de front d'une bande d'absorption des radicaux OH ou NH peuvent être effectuées avec plus de précision. La chose est que dans ce cas il devient possible
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d'extraire avec plus de précision un signal "utile" dosimatrique sur le fond d'une amplitude induite qui n'est pas associée avec les variations de l'amplitude et de la raideur des fronts des bandes d'absorption des radicaux OH et NH.
Dans ce mode de mesures, l'on choisit les longueurs d'onde de travail # 1 et .::\ 3 en dehors d'une bande d'absorption correspondante, mais dans une proximité immédiate a cette dernière, de part et d'autre de celle-la. L'on
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choisit la longueur d'onde a 2 au voisinage du pic d'une bande correspondante. Par exemple, 1 1 = 1,360 mcm, # 2 = 1,390 mcm et 3 = 1,420 mcm pour la bande d'absorption des radicaux OH et
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À 1. 1,475 mcm, , 2 = 1,505 mcm et À 3 - 1,550 mcm pour la bande d'absorption des radicaux NH.
Si l'absorption induite qui n'est pas associée avec les variations de l'amplitude de la bande d' absorption des radicaux OH (ou NH) varie linéairement dans la gamme des longueurs d'onde comprise entre - 1 et # 3, la depen-
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dence d'étalonnage prend l'aspect suivant:
(1J) := 0( ( Â.2 /J) - Ld ( ; l' ; 1+ (ot ( /( loi- - 0( ( , 1 ) X ('''2 - ,Àf)/rÀ 3 -- Â.,) J / (2) Le dispositif pour effectuer les mesures par la méthode dl "échappée de lumière" comprend un conduit de lumière a fibre optique 1 (la figure 5), une source de lumière blanche 5, par exemple, une lampe va incandescence aux halogènes du type KGM- 100 en combinaison avec des éléments optiques en soi connus pour introduire la lumière dans le conduit de lumière à fibre optique (ces éléments ne sont pas représentés sur la figure 5), ainsi qu'un analyseur optique 6 du spectre. Ce dispositif est utilisé lorsqu'il est nécessaire de contrôler la dose d'une radiation ionisante \ un seul point.
Le dispositif en question fonctionne de la manière suivante : La botte 7 avec le conduit de lumière a fibre optique 1 sont placés à un point ou il est nécessaire de contrôler la dose d'une radiation ionisante, tandis que les extrémités du conduit de lumière à fibre optique 1 sont amenées a la source 5 de lumière blanche et \ l'analyseur optique 6 du spectre (la longueur du conduit de lumière 1 dans la botte 7 doit excéder par beaucoup de foia la longueur des extrémités d'amenée' du conduit de lumi- ère 1 qui, elles aussi, subissent l'effet d'irradiation).
Immé- diatement après l'installation du capteur \ fibre optique (avant l'apparition d'une radiation ionisante), l'on mesure le spectre de transmission dans le conduit de lumière à fibre optique 1, par rapport auquel, lors du fonctionnement ultérieur du dosimetre, l'on calculera l'absorption induite par une radiation ionisante.
Apres les mesures du spectre initial de transmission )9 (#, 0), exprime en decibells, le dosimetre est prêt aux mesures de la dose d'une radiation ionisante possible. A cet effet, périodique- ment, a des moments de temps t, l'on mesure le spectre de trans- mission ss (#, t) du conduit de lumière 1 , à partir duquel, compte tenu du spectre initial de transmission, l'on détermine les paramètres, a savoir : l'amplitude et/ou la raideur de front de la bande d'absorption des radicaux OH ou NH.
Lorsque l'on
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travaille à deux longueurs d'onde, l'on calcule l'amplitude ou la raideur de front # (t) de la bande choisie des radicaux OH
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ou NH selon la formule: ¯ /# NH selon la formule: = (' 1 i)- fi (3) Lorsqu'on travaille a trois longueurs d'onde, l'on calcule l'amplitude ou la raideur de front A (t) de la bande choisie
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des radicaux OH ou NH selon la formule: ,. ,#
A (r) -== fi () tJ- [13 (A;7', -IJ -1- (fi (A3 q- - fl p;" JI /Â2 - ;}r) / ()3/-:?;J ( 4 ) En se servant de la dependence d'étalonnage (voyez les for-
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mules (I) et (2) ) construite au préalable pourcap#etr â fibre optique donné et reliant l'amplitude ou la raideur d'une bande d'absorption des radicaux OH ou NH à une dose absorbée, l'on détermine la dose d'une radiation ionisante.
Au lieu des spectres de transmission, l'on peut mesurer direc-
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tement les spectres des pertes optiques 0( (/? ,t)t par exemple, a l'aide du procedé standard de "fracture" (voyez, par exemple, V.A. Bogatyriov, I.I. Cheremisin, E.M. Dianov, K.M. Golant, A. L. Tomashuk "Super-high-strength metal-coated low-hydroxyl low-chlorine all-silica optical fibres", IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, No 3, Part 1, pp. 1057-106o, 1996).
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Dans ce cas les formules de calcul sont identiques aux formules (3) et (4): /1 or, /- 0 < ( > 1, , z (5) /% (X%= 1, z,/ - Le < I; +- (01 :J- 0( ( 1'" t! J) X X Ill'Al- - ' (6) Le dispositif pour effectuer les mesures par la méthode de diffusion vers l'arriére comprend un conduit de lumière à fibre optique 1 (les figures 6 et 7) et un appareil 8 de diffusion vers l'arrière (par exemple, l'appareil AQ 7220 de la société ANDO) qui a été modifié par la technique en soi connue (voyez U. Hilbk, M. Burmeister, B. Hoen, Th. Hermès, J. Saniter, F.-J.
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Westphal "Selective OTDR measurements at the central office of individual fibre links in a PON", Optical Fibre Communication Conférence (OFC'97), 16-21 Feb. 1997, Dallas, USA, Technical Digest, Paper TuK3, p. 54, 1997) pour le travailla deux ou trois longueurs d'onde a priori déterminées.
Dans ce mode de travail, le conduit de lumière 1 a fibre optique est disposé le long du trajet, dans lequel la distribution d'une dose de radiation doit être mesurée. Dans le but d'augmenter la sensibilité du dosimetre, son conduit de lumière 1 à fibre optique peut 'être enroulé en
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des bottes 7 disposées xa certains points tout le long du trajet
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(la figure 6). Dans ce cas, la dose est évaluée dans le choix discret des points spatiaux correspondant aux positions des bottes 7.
Les dispositifs pour les mesures par la méthode de diffusion vers l'arriére fonctionnent de la manière suivante :
Le principe des mesures des pertes optiques dans un conduit de lumière par la méthode de diffusion vers l'arrière est en soi bien connu (voyez, par exemple, M.D. Rourke, S.M. Jensen, M.K. Barnoski "Fibre parameter studies with the OTDR", Fibre Optics: Advances in Research and Development (Proc. Conf. on Physics of Fibre Optics), Ed. by Bernard Bendow and Shashanka S. Mitra, Plénum Publishing Corporation, pp. 255-268,1979).
Immédiatement après l'installation du conduit de lumière sa fibre optique 1 et avant l'apparition d'une radiation ionisante, l'on mesure la distribution initiale des pertes optiques sur
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la longueur eX (1, ' 0) du conduit de lumière 1a deux ou trois longueurs d'onde choisies (le symbol "1" désigne le coor- donnée sur la longueur du conduit de lumière, dans laquelle la dose est mesurée).
Lorsque l'on travaille a deux longueurs d'onde, l'on calcule l'amplitude ou la raideur du front /( (1,0)
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d'une bande choisie des radicaux OH ou NH selon la formule: A (: oJ:=:- eX /1.2.; OJ- < * 2y, oj (7) Lorsque l'on travaille a trois longueurs d'onde, l'on cal-
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cule l'amplitude ou la raideur du front A (1, 0) d'une bande choisie des radicaux OH ou NH selon la formule: /1 (( 0) =d ,q/- GI( ;"f 0)+( > (' :)$/0)- - 0( t: , 0)) X(A. - - > > / < 3 - ,.1 L'indice "0" dans les formules (7) et (8) signifie que les mesures ont été effectuées à un moment de temps t - 0.
Une fois le conduit de lumière 1 installer le spectre initial de transmission mesuré et la valeur # (1, 0) calculée, le dosi- metre est prêt aux mesures de la dose d'une radiation ionisante
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possible. Dans ce but, avec une périodicité" requise Ca des moments de temps t), l'on effectue les mesures de la distribu- tion des pertes optiques sur la longueur du conduit de lumière α (1,#i, t) a deux ou trois longueurs d'onde choisies.
Lorsque l'on travaillera deux longueurs d'onde, l'on calcule l'amplitude ou la raideur du front # (1, t) d'une bande choisie des radi-
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eaux OH ou NH selon la formule: (9) /1 )- o ( À2,!- 0: (À;" ;; Lorsque l'on travaille a trois longueurs d'onde, l'on calcule
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l'amplitude ou la raideur du front /1 (1, t) d'une bande choisie
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des radicaux OH ou NU selon la formule: .
,If (-é:-é/::;o < {.;' ).v6/- Lc < > I1 4/.+ ( < < /1.f; (;/- - o (/l, z!/J,Je 2 - 1// i7s - 1 / (io) L'on détermine les variations de l'amplitude ou de la raideur
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d'une bande choisie des radicaux OH ou NH ,1 (l,t) - ,,( (1,0) et, en se servant d'une dépendence d'étalonnage ainsi construite, l'on trouve la dose que correspondra ces variations.
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En utilisant le procédé SPCVD\A plasma chimique (IS.M. Dianov, K. M. Golant, R.R. Khrapko, A.V. Koropov, A.S. Kurkov "Features of an erbium- and a fluorine-doped silica glass synthesis in the SPCVD technology of fibre preform fabrication", Advanced Materials in Optics, Electrooptics and Communication Technologies, Techna Srl, edited by P. Vincenzini, pp. 441-448,1995), l'on a fabriqué une ébauche (preîorme) d'un conduit en quartza fibre optique 1. Cette ébauche avait une enveloppe extérieure 2 en verre de quartz non-dopé, constitué par le matériau d'un tube en quartz de support, une enveloppe 4 déprimée en fluorosili- cate formée par déposition, et un noyau 3 formé par déposition d'un verre de quarts non-dopé (la figure 4).
A partir de cette
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ébauche, l'on a fabriqué par étirage un conduit de lumière ""a fibre optique 1 (dont le diamètre a = 125 mcm) ayant un noyau 3 (dont le diamètre b = 30 mcm) et une enveloppe 4 en fluoro- silicate (dont l'épaisseur c = 15 mcm), la différence des indices de réfraction du noyau et de l'enveloppe en fluorosili- cate étant égalera # n = 0,020. Lorsque l'enveloppe 4 en fluoro- silicate a l'épaisseur de l'ordre de c = 15 mom, le conduit
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de lumière Na fibre optique 1 ne manifeste pas de pertes appréci- ables dues aux flexions, pas plus qu'il n'y a pas de pertes appréciables de lumière dues a l'effet de tunnellinga travers l'enveloppe en fluorosilicate 4.
Le nombre des radicaux OH tans l'enveloppe 2 et le noyau 3
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du conduit de 1um1re 'à. fibre optique 1 était égal sa 130 et 0,05 ppm, respectivement. Ceci a été'atteint grâce a l'utilisation d'un tube de support (de départ) fabriqué en verre de
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quartz HERALUX-WG de la societé HRAEUS. Le verre de quartz destine a la fabrication du noyau 3 a été synthèse' dans des conditions de déficit d'oxygène, ce qui a permit d'assurer un séchage supplémentaire du verre grâce aux associations des atomes d'hydrogène et de chlore en molécules HC1. Ces dernières, a leur tour, quittaient le tube de support en phase gazeuse,
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ce qui minimisait la probabilité de pénétration de l'hydrogène dans le verre.
L'installation du capteur\ fibre optique était précédée par son étalonnage (calibrage), c'est-a-dire l'on mesurait la depen- dence de l'amplitude des bandes d'absorption des radicaux OH en fonction d'une dose absorbée définie selon la formule (2)
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aux longueurs d'onde /! 1 = 1,360 mcm, i1 2 - 1,391 mcm et 3 = = 1,420 mcm. L'on a établi que la dependence d'étalonnage est décrite par la loi linéaire suivante :
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(D) - (Ii (0) ) / D = 0,82 x I0 6 dB/km/Gr (11)
Pour certains conduits de lumière à fibre optique 1 la dépen- dence # (D) peut, généralement parlant, dévier de la linéarité.
Dans ce cas, l'on enregistre en détail la courbe d'étalonnage dans toute la gamme requise de doses. Ce mode d'aborder le prob- 1ème permet dé préserver un accord explicite et non-équivoque entre une dose absorbée et l'amplitude des bandes d'absorption des radicaux OH qui ne dépend pas de la puissance d'une dose.
La figure 8 montre le résultat des mesures de la dose de la radiation gamma émise par une source Co a l'aide d'un conduit
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de lumière Na fibre optique 1 par la méthode d"échappée de lumière" (la figure 5). La longueur du conduit de lumière V fibre optique 1 dans la botte 7 était égale a 500 m. Par la méthode de "frac.. ture" l'on a mesuré le spectre des pertes optiques initiales 9 avant l'irradiation (la figure 8). Apres une irradiation jusqu' a une dose de 2,55 MGr(Si), l'on a répété les mesures du spectre des pertes optiques (la courbe 10 sur la figure 8). Par soustrac-
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tion l'on ae 7er.-,miné la spectre d'absorption induite 11.
A ce que l'on voit, \ côté' de l'effet "utile" d'augmentation de l'ampli- tude de la bande d'absorption des radicaux OH ayant un centre au voisinage de 1,39 mcm, l'on observe un accroissement total des pertes optiques. Afin d'extraire un signal "utile" sur ce fond, l'on a calcule l'amplitude de la bande d'absorption des radicaux OH # (t) selon la formule (6) et, compte tenu de la dépendence d'étalonnage (2), l'on a obtenu D = 2,45 MGr(Si), la précision des mesures d'une dose 'étant 4%. exp
Pour le contrôle dosimétrique par la méthode de "diffusion vers l'arriére" d'un trajet long de 20 m avec une résolution spatiale de 1 m et avec une dose maximale anticipée d'une radia- tion ionisante égalera 2,5 MGr, l'on a utilisé un tronçon long de 1,02 km du conduit de lumière à fibre optique 1.
A 20 points
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espaces Na distances égales 'sur toute la longueur de périmètre,
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le conduit de lumière a fibre optique 1 était enroulé en bottes 7 (la figure 6), la longueur du tronçon du conduit de lumière 1 dans chaque botte 7 étant égalera 50 m. A ce que l'on voit sur la figure 8, l'affaiblissement (l'atténuation) du signal
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aux longueurs d'onde a .. , A 2 etl 3a la dose maximale ne dépasse pas au-delà de la gamme dynamique de 36 dB du reflecto-
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metre AQ 7220 (société ANDO) ayant une résolution de 0,001 dB.
Avec ce mode de mesures, la dose minimale enregistrable et la précision des mesures étaient 24 kGr, c'est-à-dire la précision des mesures d'une dose était supérieure a celle des mesures
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par la méthode d'"'echappée de lumière".
Les reflectometres AQ 7220 peuvent 'être conjuguer avec une
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machine \L calculer, ce qui permet d'organiser un calcul correctif automatique de la distribution des pertes optiques dans le con- duit de lumière à fibre optique 1 et la distribution d'une dose absorbée sur sa longueur.
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L'on a utilisé' le procédé SPCVD â plqsma chimique pour fabri- quer une ébauche (préforme) pour un conduit de lumière 1 a fibre optique ayant une enveloppe 2 en verre de quartz non-dopé et un noyau 3 en verre de quartz dope d'azote et ayant #n = 0,01 (la figure 3). Un tube en quartz de support (de départ) était fabriqué en verre Heralux-WG et avait un diamètre extérieur de 20 mm et une épaisseur de paroi de 2 mm. A une température de 1300 C, l'on a alimenté le tube de support d'un mélange gazeux dont la composition était SiCl4 + 02 + N2 + NH3, à une pression totale de 1 mm Hg. Les débits de ces réactifs étaient les suivants: 10 cm /min pour NH3. 30 cm3/min pour N2, 120 cm /min pour 02 et 34 cm3/min pour SiCl4.
Il a fallu 100 passes d'une colomne de plasma le long du tube de support pour former le noyau 3 par déposition, et dans ce but la puissanceà hyperfréquence amenée au tube de support était variée dans la gamme de 1 à 5 kWt. De cette manière, l'on a fabriqué' un conduit de lumière "a fibre optique 1 avec les paramètres suivants: a = 125 mcm et b = 30 mcm.
Avant l'installation du capteur à fibre optique, l'on effectu-
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ait son étalonnage, c'est â-dire l'on mesurait la dependence de l'amplitude de la bande d'absorption des radicaux NH en fonction d'une dose absorbée déterminée selon la formule (2) aux
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longueurs d'onde 1 = 1,474 mcm, A ? - 1,503 mcm et.1)3= 1,550 mcm.
L'on a établi que la dependence d'étalonnage est décrite par une loi linéaire:
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(il (D) - (/!(0)) / D = 5,3 x IO -5 dB/km/Gr (12)
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La figure 9 montre les résultats des mesures de la dose de la radiation gamme émise par une source 60Co à l'aide du
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conduit de lumière 1 ainsi fabriqué'par la méthode d*'" échappée de lumière" (la figure 5). La longueur du conduit de lumière a fibre optique 1 dans une botte 7 était égalera 10 m. Par la méthode de "fracture" l'on a mesuré le spectre des pertes optiques initiales 12 avant le début de l'irradiation (la figure 9).
Apres une irradiation jusqu'. une dose de 2,11 MGr(Si), l'on a répéterles mesures du spectre des pertes optiques, et par soustraction l'on a construit le spectre d'absorption induite 13 (la figure 9). Il est évident qu'à côté de l'effet "utile" de diminution de l'amplitude de la bande d'absorption des radi- caux NH avec un centre au voisinage de 1,50 mcm, l'on observe un accroissement total des pertes optiques.
Afin d'extraire un signal "utile" sur ce fond, l'on a calculé l'amplitude de la bande d'absorption des radicaux NH A (t) selon la formule (6) et, compte tenu de la dependence d'étalonnage (2), l'on a obtenu D = 2,20 MGr (Si), laprécision des mesures étant 4%. exp
Dans le but de contrôler la stabilité thermique des indica- tions d'un dosimetre a fibre optique, l'on a élevéla tempera- ture du conduit de lumière sa fibre optique 1 jusqu'à 200 C.
Les mesures répétées de l'absorption induite 14 (la figure 9)ont montré que le maintien du conduit de lumière 1 à 2000C durant 2 heures ne conduit pas au changement des amplitudes des bandes d'absorption des radicaux OH et NH, bien qu'une décomposition thermique des centres colorés ait lieu. Ces résultats confirment la haute stabilitéthermique du capteur dosimétrique à fibre optique selon la présente invention. Le conduit de lumière \ fibre optique 1 a été de nouveau soumis à une irradiation jusque une dose totale de 5,27 MGr(Si), après quoi l'on a mesuré l' absorption induite 15, à partir de laquelle selon les formules (2) et (6) l'on a déterminé la dose Dexp = 5,16 MGr(Si), la précision des mesures de la dose étant égalera 2%.
Pour le contrôle dosimrique par la méthode de "diffusion vers l'arriére" d'un trajet long de 20 m avec une résolution spatiale de 1 m et avec une dose maximale anticipée d'une radia- tion ionisante égalera 2,5 MGr(Si) environ, l'on a utilisé un tronçon long de 20 m du conduit de lumière fibre optique 1, le tronçon etant tendu tout le long du trajet (la figure 7).
A ce que l'on voit sur la figure 9, l'affaiblissement du signal
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aux longueurs d'onde 1 1, ,1 2 etl 3 a la dose maximale ne dépasse pas au-delà de la gamme dynamique 34 dB (dans la région spectra- le donnée) du reflectometre AQ 7220 (produit de la société ANDO) avec une résolution de 0,001 dB. Dans ce mode des mesures, la dose minimale enregistrable et la précision des mesures sont
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égales a 9 kGr, c'est-à-dire la précision des mesures d'une dose est superieure a celle des mesures par la méthode d' "échappée de lumière".
Les réflectorrietres AQ 7220 peuvent être conjugués avec une machine a calculer, ce qui permet de f-aire un calcul correctif automatique de la distribution des pertes optiques dans le con- duit de lumière a fibre optique 1 et la distribution d'une dose absorbée sur sa longueur.
La présente invention est applicable sur une échelle industri- elle dans la dosimétrie optique, en particulier, dans des capteurs à fibre optiques de radiations ionisantes permettant d'effectuer une dosimetrie de longue durée des pièces d'installations nuclé- aires inaccessibles a l'homme, des lieux de décharge terrestre des déchets radio-actifs, etc.
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METHOD FOR DETERMINING THE DOSE OF A RADIATION
IONIZING AND FIBER OPTIC SENSOR (VARIANTS OF
ITS REALIZATION)
The present invention relates to fiber optics and to measurements of nuclear radiation and X-rays.
We know in the prior art a procedure for determining the dose of ionizing radiation, which process consists
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placing a Na optical fiber light pipe comprising a quartz glass core doped with doping impurity on the
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path of ionizing radiation, and Na measure the variations of optical absorption in the light pipe to be able to judge on the dose of ionizing radiation, phosphorus being used as said doping impurity (see, for example, H. Henschel, 0. Kohn, HU Schmidt "Optical fibers as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Method in Physics Research, vol. B69, pp. 307-314, 1992), or said doping impurity being represented by lead (H. Harald, FW
Haesing, E, Gerhard
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"Compensation of fading effects of radiation-indAced loss by multiple wavelengths measurements", Proc. SPIB, vol. 1795, pp.
296-302, 1993) or by rare earths (H. Henschel, 0. Kohn, HU Schmidt, J. Kirchhof, S. Unger "Radiation-induced loss of rare earth-doped silica fibers", 4th European Conférence on Radi -
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ations and their Effects on Deviees and Systems, (RADFCS'97), Cannes, 16-19 Sept. 1997, Abstracts, pp. KIO-K13). Doping impurities generate colored centers of long-lived radiation in quartz glass.
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The drawback of the cited prior art process lies in the fact that such colored centers are subject to thermal decomposition. As a result, there are errors when measuring a dose, the indications of a dosimeter depend on the power of the dose of ionizing radiation and temperature variations, and the indications on an absorbed dose are partially deleted when irradiation is stopped.
When performing long-term measurements of large doses (D> 300 Gr) and when the doses to be measured have low powers due to the thermal decomposition of the color centers, the effect of absorption saturation is observed induced, which makes it impossible, in principle, dosimetry of large doses at low powers of a dose (H. Henschel, 0. Kohn, HU Schmidt "Optical fibers as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol B69, pp. 307-314, 1992).
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Also known in the prior art is a method for determining the dose of ionizing radiation, which method * comes more closely to the method claimed and consists in placing a light pipe or fiber optic having a quartz glass core containing a doping impurity on the path of ionizing radiation, and \ measure the variations of the absorb-
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optic in the light pipe Na optical fiber has at least two wavelengths to be able to judge on the dose of ionizing radiation (H. Harald, FW Haesing, E. Gerhard "Compensation of fading effects of radiation-induced loss by multiple wavelengths measurements ", Proc. SPIE, vol. 1795, pp. 296-302,1993). In the case cited the light pipe was doped with lead.
The drawback of this prior art method lies in the fact that, although the accuracy of determining a dose is greater than that which can be achieved if the optical absorption measurements are only made at a single length d On the wave, the dosimeter indications, as before, depend on the power of the dose of ionizing radiation and the variations in temperature, while the indications on the absorbed dose are partially erased when the irradiation is stopped.
As regards the claimed sensor, there is known in the prior art a fiber optic sensor of ionizing radiation which comes closer to the claimed invention and which
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includes a fiber optic conduit * having a doped quartz glass core (H. Henschel, 0. Kohn, HU Schmidt "Optical fibers as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. B 69, pp. 307 -314, 1992). The fiber optic light pipe of the cited anticipation sensor contains phosphorus as doping impurity.
The defect of the cited anteriority sensor lies in the fact that the color centers induced by ionizing radiation are subject to thermal decomposition, from where come errors during measurement of a dose, the indications of the dosimeter depend on the power of the dose of ionizing radiation and variations in temperature, while the indications for an absorbed dose are partially erased as soon as the irradiation is stopped.
The object of the present invention is to develop such a method for determining the dose of ionizing radiation which would improve the reliability of the measurements, independently
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irradiation conditions, by establishing an explicit and unequivocal link between the variations in optical absorption in a fiber optic light pipe and the absorbed dose of ionizing radiation.
The technical problem thus formulated is solved by the fact that in the method known per se for determining the dose of ionizing radiation, there consists of placing a fiber optic light pipe having a glass core of quarter-doped glass. '' a doping impurity on the path of an ionizing radiation and to measure the variations in absorption
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optical in said light pipe goes optical fiber 'has at least two wavelengths to be able to judge on the dose of the ionizing radiation, in accordance with the present invention, a conduit is placed on the path of the ionizing radiation light \ optical fiber containing asote and / or hydrogen as doping impurities,
so that the concentrations of said doping impurity are different from each other in the core and the envelope of the optical fiber light pipe, the measurements of the variations in optical absorption
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in the optical fiber light pipe being carried out in the absorption bands of the OH and / or NH radicals.
It is useful that the average hydrogen concentrations, as doping impurity, in the nucleus and the shell differ from each other by more than 2 times.
It is useful that the average hydrogen concentration, as doping impurity, in the core and the shell is
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greater than 5 PPK, that is to say at least five hydrogen atoms would be present per one million atoms constituting the crystal lattice of the glass.
It is also useful to place a fiber optic light pipe, the
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roughly made from a quarter tube which was made from a quarter tube
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(starting) support having an OH radical content equal to at least 100 pp, that is to say more than one hundred OH radicals would be present per million atoms constituting the crystal lattice of the glass.
It is preferable that we place on the path of a radiation
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ionizing a fiber optic light pipe V, additionally, a buffer envelope interposed between the core and the envelope.
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It is useful that the thickness of the buffer envelope is not more than 10 mcm.
It is also useful that the core of the fiber optic light pipe is doped with both nitrogen and hydrogen.
It is useful to place on the path of donkey ionizing radiation a fiber optic light pipe whose core has a total content of OH and NH radicals greater than 10 ppm, which means that more than ten OH radicals and NH, taken together, would be present per million atoms constituting the crystal lattice of glass.
It is useful that variations in optical losses in the
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fiber optic light pipes are measured in at least two absorption bands of OH radicals.
It is useful that the variations in optical losses in the fiber optic light pipe are measured in at least two absorption bands of NH radicals.
It is useful that the variations in losses in the fiber optic light pipe are measured in at least two absorption bands, one of which represents an absorption band of NH radicals, while the other represents that of absorption of OH radicals.
It is useful that variations in optical losses in the fiber optic light pipe are measured at wavelengths within the spectral ranges extending
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from 1,360 to 1,395 mcm, from 1,380 \ 1,430 mcm, from 1,475 to 1,510 mcm and / or from 1,490 'to 1,560 mcm.
It is useful that the variations of optical losses in the light pipe or optical fiber are measured at at least three-, wavelengths, of which a first is computed in the
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spectral range extending from 1.420 \ 1.470 mcm, a second - in the range of 1.480 goes 1.530 mcm, and a third - in the range of 1.540 to 1.600 mcm.
It is useful that the variations of optical losses in the fiber optic light pipe are measured at least three wavelengths, a first of which is in the spectral range extending from 1,300 to 1,370 mcm, a second - in the range from 1,360 to 1,410 mcm, and a third - in the range from 1,410 to 1,460 mcm. ionizing
In order to determine the spatial distribution of radiation it is useful that the variations in optical absorption in the
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fiber optic light pipes are measured by the method
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the method of diffusion towards the rear.
The technical problem thus formulated is also solved by
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that the fiber optic sensor per se for measuring ionizing radiation and comprising a fiber optic light pipe having a doped quartz glass core, according to the present invention, contains, as an impurity * 'of doping, hydrogen in an amount of 1 to 1000 ppm.
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In particular, in the optical fiber Na light pipe only its core or its envelope can be doped.
The technical problem formulated above is also solved by virtue of the fact that the sensor per se has an optical fiber intended to measure ionizing radiation and comprising a fiber optic light pipe having a core of doped quartz glass, according to the present invention, contains, as doping impurities, nitrogen in an amount of 0.1 to 3 atomic% and hydrogen in an amount of 10 to 200 ppm, both nitrogen and hydrogen used to boost the nucleus.
In particular, in order to determine the spatial distribution
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of ionizing radiation, the fiber optic light pipe can be rolled up in at least one bundle, so that the length of the section of the fiber optic light pipe wrapped in the boot can be much less than the length Total
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of the fiber optic light pipe.
The claimed inventions are interconnected by a common inventive concept and relate to a method for determining the dose of ionizing radiation and to the
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alternative embodiments of the two devices intended to implement the claimed method.
The essence of the claimed inventions lies in the fact of the use of a physical phenomenon, according to which hydrogen, originally linked in the optical fiber light pipe, essentially in the form of OH radicals, becomes mobile under
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the effect of ionizing radiation, i.e. the bond of oxygen and hydrogen is broken and the hydrogen atoms diffuse (see, for example, A.L. Tomashuk, E.M. Dianov, K. M.
Golant, RR Khrapko, DE Spinov "Performance of special radiation-hardened optical fibers intended for use in the telecom spectral Windows at a megagray level", 4th European Conférence on Radiations and their Effects on Devices and Systems (RADECS'97), Cannes, 16-19 Sept. 1997, Abstracts, pp. K17-K18). According to this effect,
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the hydrogen atoms pass from the nucleus into the envelope of the fiber optic light pipe or in the opposite direction in accordance with the hydrogen concentration gradient (the radiolytic diffusion effect of hydrogen) to be new lees in OH radicals. As a result of this effect, the absorption in the core of the light pipe of its optical fiber due to these radicals undergoes a change.
The presence of OH radicals in the core of the fiber optic light pipe is manifested by the presence of several absorption bands in the near IR spectral region, these bands being due to variations in OH radicals. The peaks of these absorption bands are in the vicinity of 0.95 mcm, 1.13 mcm, 1.24 mcm and 1.39 mcm (J. Stone "Interaction of hydrogen and deuterium with silica optical fibers: a review ", J. Lightwave Technology, vol. 5, pp. 712-733,1987).
The radiolytic diffusion effect of hydrogen becomes manifest if the distribution of bound hydrogen is not uniform.
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formed by the section of the fiber optic light pipe, for example, when its envelope is made of "wet" quartz glass (a high concentration of OH radicals), while its core is made of a quarter glass "dry" (the OH radical content is brought to a minimum). During the irradiation procedure, the amplitudes of the absorption bands of the radicals
OH increases in the spectrum of total optical losses. By measuring the amplitude or the stiffness of the front of one of the absorption bands of the OH radiacuxes, the total dose of ionizing radiation absorbed by the fiber optic light pipe is determined. If the nucleus of the latter contains nitrogen (see E. M. Dianov, K.
M. Golant, A.S. Kurkov, R. R. Khrapko,
A. L. Tomashuk "Low-hydrogen silicon oxynitride optical fibers prepared by SPCVD", J. Lightwave Technol., Vol. 13, No 7, pp.
1471-1474, 1995), then, under the effect of ionizing radiation, another manifestation of the mobility of the hydrogen is observed, namely: the OH radicals, also found in the glass constituting the core of the light pipe, transform into NH radicals or vice versa depending on the operating conditions used for the manufacture of blanks (preforms) of fiber optic light pipes. The absorption bands of the NH radicals are somewhat offset from the respective bands of the OH radicals and have their peaks in the vicinity
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of 1.03 mcm, 1.17 mom, 1.28 mcm and 1.50 jaws.
As a result of the radiolytic effect of re-dietriution of the hydrogen atoms between the OH and NH radicals, the ratio of the amplitudes of the absorption bands of the OH and NH radicals is changed.
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The greatest sensitivity of the optical fiber dosimetric sensor is reached, when the absorption measurements are carried out in the absorption bands having the greatest amplitude, in particular: in a band having a peak in the vicinity of 1.39 mcm in the case of OH radicals and a peak in the vicinity of 1.50 mcm in the case of NH radicals.
However, in cases where total optical losses in the vicinity of 1.39 mcm or 1.50 mcm exceed the allowable level of the measurement system with large doses of irradiation from the fiber optic sensor, the best result may be reached when using other absorption bands of OH or NH radicals having a lower amplitude.
The technical problem formulated above can be solved by the irreversibility of the changes which take place in the core and the envelope of the fiber optic light pipe as a result of the diffusion of hydrogen or its re- distribution between the OH and NH radicals under the action of ionizing radiation.
Since other effects, such as the thermal decomposition effect of the coloring centers are absent, then, therefore, the amplitudes of the absorption bands of the OH and NH radicals which undergo variation are linked in a way explicit and unequivocal at the dose of ionizing radiation absorbed by the fiber optic light pipe, independently of the power of the dose and other irradiation conditions, which guarantees long-term stability of the indications dosimeter.
As our experiments show, the stability
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indications of the optical fiber magnetic sensor takes place even if the temperature is raised to at least 200 C.
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In addition, the nitrogen-doped optical fiber Na light pipes are considerably cheaper than the doped light pipes with phosphorus, lead or rare earths.
In what follows, the present invention is illustrated by drawings and by the description of the concrete variants of its implementation, with reference to the corresponding drawings, in which:
FIG. 1 represents an optical fiber sensor of an ionizing radiation, according to the present invention;
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FIG. 2 represents a sensor \ optical fiber of a
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ionizing radiation, provided, Na additional title, of a buffer envelope, according to the present invention;
FIG. 3 represents the profile of the refractive index of the fiber optic sensor of ionizing radiation, represented in FIG. 1, according to the present invention;
FIG. 4 represents the profile of the refractive index of the sensor \ optical fiber of an ionizing radiation, represents * in FIG. 2, according to the present invention;
FIG. 5 represents the flow diagram of the device for
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implementation of the method "of measurements by the method of escaping light", according to the present invention;
FIG. 6 represents the flowchart of the device for the implementation of the process of measurements by the method of diffusion towards the rear by the use of a fiber optic conduit wound in a bundle, according to the present invention;
FIG. 7 represents the flowchart of the device for the implementation of the measurement method by the backward diffusion method using a fiber optic light pipe stretched along the perimeter of a territory to be checked, according to the present invention;
FIG. 8 represents the results of the measurements of the dose of gamma radiation emitted by a Co source using the
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fiber optic sensor (Figure 4) by the "light escape" method (Figure 5) by the use of absorption bands of OH radicals, according to the present invention;
FIG. 9 represents the results of the measurements of the dose of gamma radiation emitted by a 60Co source using the
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optical fiber sensor (according to FIG. 3) by the method of escaping light "(FIG. 5) by the use of the absorption bands of the NH radicals, according to the present invention.
The sensor / optical fiber of an ionizing radiation comprises a fiber optic light pipe 1 (FIG. 1) consisting of an envelope 2 and a core 3. FIG. 3 represents the corresponding profile of the index of refraction. According to an alternative embodiment (Figure 2), the light pipe 1 has optical fiber further comprises a buffer envelope 4. The corresponding profile of the refractive index is shown in Figure 4. The existence of this envelope additional pad 4 having a reduced refractive index, for example, an envelope
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fluorosilicate buffer, is necessary to retain light in the nucleus.
In particular, the presence of such an envelope is necessary, if the envelope 2 is constituted by the material of a tube in quarter support, while the core in quarter does not contain sufficient doping additives capable of increase the refractive index.
Once the fiber optic sensor has been manufactured and before it is installed for dosimetric measurements, two or three wavelengths are determined, at which it is the intention to measure the variations in the amplitude or the front stiffness of such and such an absorption band of the OH or NH radicals. To this end, using the methods known per se, the spectra of optical losses are measured.
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cl (ii, D) in the fiber optic light pipe at absorbed doses different from ionizing radiation D.
If it is intended to work at two wavelengths, then these n @ loguers must be placed as close as possible to each other on the front of an absorption band of the radicals
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OH or NH z as an example, A 1 = 1.375 mcm and A 2 = 1.385 mcm in the case of the OH radicals and # 1 = 1.480 mcm and / \ 2 = 1.490 mcm in the case of the NH radicals).
The results of the optical loss measurements α(#, D) are used to construct a calibration dependence (calibration) on the amplitude or the front stiffness of a corresponding absorption band as a function of the dose / 1 (D):
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A (D) 0 ((À2, D) - d (Âj, D) (I)
If one works at three wavelengths, the measurements of the variations in the amplitude or the stiffness of the front of an absorption band of the OH or NH radicals can be carried out with more precision. The thing is that in this case it becomes possible
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to extract with greater precision a "useful" dosimetric signal on the background of an induced amplitude which is not associated with the variations in the amplitude and the stiffness of the fronts of the absorption bands of the OH and NH radicals .
In this measurement mode, the working wavelengths # 1 and. :: \ 3 are chosen outside of a corresponding absorption band, but in close proximity to it, on both sides. other of that. one
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choose the wavelength a 2 near the peak of a corresponding band. For example, 1 1 = 1,360 mcm, # 2 = 1,390 mcm and 3 = 1,420 mcm for the absorption band of OH radicals and
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At 1. 1,475 mcm,, 2 = 1,505 mcm and At 3 - 1,550 mcm for the absorption band of NH radicals.
If the induced absorption which is not associated with the variations in the amplitude of the absorption band of the OH (or NH) radicals varies linearly in the wavelength range between - 1 and # 3, the dependent
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dence of calibration takes the following aspect:
(1J): = 0 ((Â.2 / J) - Ld (; l '; 1+ (ot (/ (loi- - 0 ((, 1) X (' '' 2 -, Àf) / rÀ 3 - Â.,) J / (2) The device for carrying out the measurements by the dl "light escape" method comprises a fiber optic light pipe 1 (FIG. 5), a white light source 5, for example , an incandescent halogen lamp of the KGM-100 type in combination with optical elements per se known for introducing light into the fiber optic light pipe (these elements are not shown in FIG. 5), as well as a optical spectrum analyzer 6. This device is used when it is necessary to control the dose of ionizing radiation at a single point.
The device in question operates as follows: The boot 7 with the fiber optic light pipe 1 are placed at a point where it is necessary to control the dose of ionizing radiation, while the ends of the light pipe are optical fiber 1 are brought to the source 5 of white light and the optical analyzer 6 of the spectrum (the length of the light pipe 1 in the boot 7 must considerably exceed the length of the supply ends of the light pipe light 1 which also undergoes the irradiation effect).
Immediately after installation of the optical fiber sensor (before the appearance of ionizing radiation), the transmission spectrum in the optical fiber light pipe 1 is measured, with respect to which, during subsequent operation from the dosimeter, we will calculate the absorption induced by ionizing radiation.
After the measurements of the initial transmission spectrum) 9 (#, 0), expressed in decibells, the dosimeter is ready for measurements of the dose of a possible ionizing radiation. For this purpose, periodically, at times of time t, the transmission spectrum ss (#, t) of the light pipe 1 is measured, from which, taking into account the initial transmission spectrum, l 'the parameters are determined, namely: the amplitude and / or the front stiffness of the absorption band of the OH or NH radicals.
When we
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works at two wavelengths, we calculate the amplitude or the front stiffness # (t) of the chosen band of OH radicals
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or NH according to the formula: ¯ / # NH according to the formula: = ('1 i) - fi (3) When working at three wavelengths, the amplitude or the front stiffness A (t) of the chosen band is calculated
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OH or NH radicals according to the formula:,. , &Num;
A (r) - == fi () tJ- [13 (A; 7 ', -IJ -1- (fi (A3 q- - fl p; "JI / Â2 -;} r) / () 3 / - :?; J (4) Using the calibration dependence (see the
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mules (I) and (2)) built beforehand for a given optical fiber cap and connecting the amplitude or the stiffness of an absorption band of the OH or NH radicals to an absorbed dose, the dose is determined ionizing radiation.
Instead of the transmission spectra, one can measure directly
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the optical loss spectra 0 ((/?, t) t for example, using the standard "fracture" process (see, for example, VA Bogatyriov, II Cheremisin, EM Dianov, KM Golant, AL Tomashuk " Super-high-strength metal-coated low-hydroxyl low-chlorine all-silica optical fibers ", IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, No 3, Part 1, pp. 1057-106o, 1996).
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In this case the calculation formulas are identical to formulas (3) and (4): / 1 or, / - 0 <(> 1,, z (5) /% (X% = 1, z, / - The <I; + - (01: D- 0 ((1 '"t! D) XX Ill'Al- -' (6) The device for performing the measurements by the back scattering method comprises a fiber optic light pipe 1 (FIGS. 6 and 7) and an apparatus 8 for rearward diffusion (for example, the apparatus AQ 7220 from ANDO) which has been modified by the technique known per se (see U. Hilbk, M. Burmeister, B. Hoen, Th. Hermès, J. Saniter, F.-J.
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Westphal "Selective OTDR measurements at the central office of individual fiber links in a PON", Optical Fiber Communication Conférence (OFC'97), 16-21 Feb. 1997, Dallas, USA, Technical Digest, Paper TuK3, p. 54, 1997) for the work worked two or three wavelengths a priori determined.
In this operating mode, the optical fiber light pipe 1 is arranged along the path, in which the distribution of a dose of radiation is to be measured. In order to increase the sensitivity of the dosimeter, its light pipe 1 with optical fiber can be wound in
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boots 7 arranged xa certain points along the way
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(Figure 6). In this case, the dose is evaluated in the discrete choice of the spatial points corresponding to the positions of the boots 7.
The devices for measurements by the backward diffusion method operate in the following manner:
The principle of optical loss measurements in a light pipe by the back scattering method is well known per se (see, for example, MD Rourke, SM Jensen, MK Barnoski "Fiber parameter studies with the OTDR", Fiber Optics: Advances in Research and Development (Proc. Conf. On Physics of Fiber Optics), Ed. By Bernard Bendow and Shashanka S. Mitra, Plénum Publishing Corporation, pp. 255-268,1979).
Immediately after the installation of the light pipe its optical fiber 1 and before the appearance of ionizing radiation, the initial distribution of the optical losses is measured over
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the length eX (1, '0) of the light pipe 1 has two or three wavelengths chosen (the symbol "1" designates the coordinate on the length of the light pipe, in which the dose is measured).
When we work at two wavelengths, we calculate the amplitude or the stiffness of the front / ((1,0)
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of a chosen band of OH or NH radicals according to the formula: A (: oJ: =: - eX /1.2 .; OJ- <* 2y, oj (7) When working at three wavelengths, we calibrate
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calculates the amplitude or the stiffness of the front A (1, 0) of a chosen band of the OH or NH radicals according to the formula: / 1 ((0) = d, q / - GI (; "f 0) + ( > (':) $ / 0) - - 0 (t:, 0)) X (A. - ->> / <3 -, .1 The index "0" in formulas (7) and (8) means that the measurements were made at a time t - 0.
Once the light pipe 1 has installed the initial transmission spectrum measured and the value # (1, 0) calculated, the dosemeter is ready to measure the dose of ionizing radiation.
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possible. For this purpose, with a periodicity "required Ca of the moments of time t), the measurements of the distribution of the optical losses are carried out over the length of the light pipe α (1, # i, t) has two or three wavelengths chosen.
When we work two wavelengths, we calculate the amplitude or the stiffness of the front # (1, t) of a chosen band of radiations.
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OH or NH waters according to the formula: (9) / 1) - o (À2,! - 0: (À; ";; When working at three wavelengths, we calculate
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the amplitude or the stiffness of the front / 1 (1, t) of a chosen band
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OH or NU radicals according to the formula:.
, If (-é: -é / ::; o <{.; ' ) .v6 / - Lc <> I1 4 /.+ ( < </1.f; (; / - - o (/ l, z! / J, Je 2 - 1 // i7s - 1 / (io) We determine the variations in amplitude or stiffness
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of a chosen band of the OH or NH radicals, 1 (l, t) - ,, ((1,0) and, using a calibration dependence thus constructed, we find the dose which these variations.
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Using the SPCVD \ A chemical plasma process (IS.M. Dianov, KM Golant, RR Khrapko, AV Koropov, AS Kurkov "Features of an erbium- and a fluorine-doped silica glass synthesis in the SPCVD technology of fiber preform fabrication" , Advanced Materials in Optics, Electrooptics and Communication Technologies, Techna Srl, edited by P. Vincenzini, pp. 441-448,1995), a blank (pre-form) of a fiber optic quartza duct 1 was made. blank had an outer envelope 2 made of undoped quartz glass, constituted by the material of a support quartz tube, an envelope 4 depressed in fluorosilicate formed by deposition, and a core 3 formed by deposition of a glass of undoped shifts (Figure 4).
From this
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draft, a light pipe "" with optical fiber 1 (whose diameter a = 125 mcm) having a core 3 (whose diameter b = 30 mcm) and a casing 4 of fluorosilicate ( whose thickness c = 15 mcm), the difference in the refractive indices of the core and of the fluorosilicate envelope being equal to # n = 0.020. When the fluorosilicate casing 4 has a thickness of the order of c = 15 mom, the conduit
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of light Na optical fiber 1 does not show appreciable losses due to bending, any more than there are no appreciable losses of light due to the tunneling effect through the fluorosilicate envelope 4.
The number of OH radicals in the envelope 2 and the nucleus 3
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of the conduit from 1um1re 'to. fiber optic 1 was equal to its 130 and 0.05 ppm, respectively. This was achieved through the use of a support tube (starter) made of glass
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HERALUX-WG quartz from HRAEUS. The quartz glass intended for the production of the nucleus 3 was synthesized under conditions of oxygen deficit, which made it possible to ensure an additional drying of the glass thanks to the associations of the atoms of hydrogen and chlorine in molecules HC1 . The latter, in turn, left the support tube in the gas phase,
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which minimized the probability of hydrogen entering the glass.
The installation of the sensor / optical fiber was preceded by its calibration (calibration), that is to say, the dependence of the amplitude of the absorption bands of the OH radicals was measured as a function of a dose. absorbed defined according to formula (2)
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at wavelengths /! 1 = 1.360 mcm, i1 2 - 1.391 mcm and 3 = = 1.420 mcm. It has been established that the calibration dependence is described by the following linear law:
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(D) - (Ii (0)) / D = 0.82 x I0 6 dB / km / Gr (11)
For certain fiber optic light pipes 1 the dependence # (D) can, generally speaking, deviate from the linearity.
In this case, the calibration curve is recorded in detail over the entire required dose range. This mode of approaching the problem makes it possible to preserve an explicit and unequivocal agreement between an absorbed dose and the amplitude of the absorption bands of the OH radicals which does not depend on the power of a dose.
FIG. 8 shows the result of the measurements of the dose of gamma radiation emitted by a Co source using a conduit
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of light Na optical fiber 1 by the method of "escape of light" (Figure 5). The length of the light fiber V light pipe 1 in the boot 7 was equal to 500 m. By the "fracture" method, the spectrum of the initial optical losses 9 was measured before the irradiation (FIG. 8). After irradiation up to a dose of 2.55 MGr (Si), the measurements of the spectrum of optical losses were repeated (curve 10 in FIG. 8). By soustrac-
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tion we have 7er .-, undermined the induced absorption spectrum 11.
As we can see, on the side of the "useful" effect of increasing the amplitude of the absorption band of OH radicals having a center in the vicinity of 1.39 mcm, we observed a total increase in optical losses. In order to extract a "useful" signal on this background, the amplitude of the absorption band of the OH # (t) radicals is calculated according to formula (6) and, taking account of the calibration dependence (2), D = 2.45 MGr (Si) was obtained, the precision of the measurements of a dose being 4%. exp
For dosimetric control by the "backward diffusion" method of a path 20 m long with a spatial resolution of 1 m and with a maximum anticipated dose of an ionizing radiation will equal 2.5 MGr, l a 1.02 km long section of the fiber optic light pipe 1 was used.
At 20 points
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spaces Na equal distances' along the entire perimeter length,
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the fiber optic light pipe 1 was wound in bundles 7 (FIG. 6), the length of the section of the light pipe 1 in each boot 7 being equal to 50 m. As seen in Figure 8, the signal attenuation (attenuation)
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at wavelengths a .., A 2 and 13a the maximum dose does not exceed beyond the dynamic range of 36 dB of the reflecto-
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meter AQ 7220 (ANDO company) with a resolution of 0.001 dB.
With this measurement mode, the minimum recordable dose and the accuracy of the measurements were 24 kGr, i.e. the accuracy of the measurements of a dose was greater than that of the measurements.
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by the method of "escape of light".
AQ 7220 reflectometers can be combined with a
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machine \ L calculate, which makes it possible to organize an automatic corrective calculation of the distribution of optical losses in the fiber optic light pipe 1 and the distribution of an absorbed dose along its length.
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The chemical plasma SPCVD process was used to fabricate a blank (preform) for a fiber optic light pipe 1 having a shell 2 of undoped quartz glass and a core 3 of doped quartz glass nitrogen and having #n = 0.01 (Figure 3). A support (starting) quartz tube was made of Heralux-WG glass and had an outside diameter of 20 mm and a wall thickness of 2 mm. At a temperature of 1300 ° C., the support tube was supplied with a gaseous mixture, the composition of which was SiCl4 + 02 + N2 + NH3, at a total pressure of 1 mm Hg. The flow rates of these reactants were as follows : 10 cm / min for NH3. 30 cm3 / min for N2, 120 cm / min for 02 and 34 cm3 / min for SiCl4.
It took 100 passes of a plasma fall along the support tube to form the core 3 by deposition, and for this purpose the microwave power supplied to the support tube was varied in the range of 1 to 5 kWt. In this way, a fiber optic light pipe 1 was made with the following parameters: a = 125 mcm and b = 30 mcm.
Before installing the fiber optic sensor,
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has its calibration, that is to say the dependence of the amplitude of the absorption band of the NH radicals was measured as a function of an absorbed dose determined according to formula (2) at
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wavelengths 1 = 1.474 mcm, A? - 1.503 mcm and. 1) 3 = 1.550 mcm.
It has been established that the calibration dependence is described by a linear law:
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(il (D) - (/! (0)) / D = 5.3 x IO -5 dB / km / Gr (12)
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Figure 9 shows the results of the dose measurements of the range radiation emitted by a 60Co source using the
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light pipe 1 thus manufactured by the "light escapement" method (FIG. 5). The length of the fiber optic light pipe 1 in a boot 7 would be 10 m. By the "fracture" method, the spectrum of the initial optical losses 12 was measured before the start of the irradiation (FIG. 9).
After irradiation up to. At a dose of 2.11 MGr (Si), the measurements of the spectrum of optical losses were repeated, and by subtraction the constructed absorption spectrum 13 was constructed (FIG. 9). It is obvious that alongside the "useful" effect of reducing the amplitude of the absorption band of the NH radicals with a center in the vicinity of 1.50 mcm, we observe a total increase in optical losses.
In order to extract a "useful" signal on this background, the amplitude of the absorption band of the NH A radicals (t) was calculated according to formula (6) and, taking account of the calibration dependence (2), D = 2.20 MGr (Si) was obtained, the precision of the measurements being 4%. exp
In order to control the thermal stability of the indications of an optical fiber dosimeter, the temperature of the light pipe its optical fiber 1 was raised to 200 C.
Repeated measurements of the induced absorption 14 (FIG. 9) have shown that maintaining the light pipe 1 at 2000C for 2 hours does not lead to a change in the amplitudes of the absorption bands of the OH and NH radicals, although a thermal decomposition of the colored centers takes place. These results confirm the high thermal stability of the fiber optic dosimetric sensor according to the present invention. The light tube / optical fiber 1 was again subjected to irradiation up to a total dose of 5.27 MGr (Si), after which the induced absorption 15 was measured, from which according to the formulas ( 2) and (6) the dose Dexp = 5.16 MGr (Si) has been determined, the accuracy of the dose measurements being equal to 2%.
For dosimetric control by the "backward diffusion" method of a 20 m long path with a spatial resolution of 1 m and with a maximum anticipated dose of an ionizing radiation will equal 2.5 MGr (Si ) approximately, a 20 m long section of the optical fiber light pipe 1 was used, the section being stretched all along the path (FIG. 7).
As seen in Figure 9, the signal weakening
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at wavelengths 1 1,, 1 2 and 13 at the maximum dose does not exceed beyond the dynamic range 34 dB (in the given spectral region) of the reflectometer AQ 7220 (product of the company ANDO) with a resolution of 0.001 dB. In this measurement mode, the minimum recordable dose and the accuracy of the measurements are
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equal to 9 kGr, that is to say the accuracy of the measurements of a dose is greater than that of the measurements by the "escaped light" method.
The AQ 7220 reflectors can be combined with a calculating machine, which allows automatic correction of the distribution of optical losses in the fiber optic light pipe 1 and the distribution of an absorbed dose over its length.
The present invention is applicable on an industrial scale in optical dosimetry, in particular in fiber optic sensors of ionizing radiation making it possible to perform a long-term dosimetry of parts of nuclear installations inaccessible to humans. , landfills for radioactive waste, etc.