CN102520433A

CN102520433A - 一种全光纤在线辐射剂量测量系统

Info

Publication number: CN102520433A
Application number: CN2011104398743A
Authority: CN
Inventors: 金靖; 王学勤; 郭建华; 宋镜明; 杜士森
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种全光纤在线辐射剂量测量系统，包括用于提供光信号的光源、用于分光的2×2耦合器、参考光路、测量光路、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计、计算机，所述测量光路由抗辐照传导光纤和辐射敏感光纤组成，用于测量辐射环境下敏感光纤辐射致传输损耗。本发明提供了一种长期适用于辐射环境下辐射剂量测定的全光纤远程辐射剂量在线监测系统，并实现系统的简单化和稳定性。

Description

一种全光纤在线辐射剂量测量系统

技术领域

本发明涉及一种辐射剂量测试系统，特别涉及一种建立在特种光纤辐射致传输衰减特性基础上，适合于核电站、⁶⁰Co辐射源、放射性医学中辐射剂量监测的全光纤结构的辐射剂量在线测试系统。

背景技术

放射性装置被广泛应用于工业、农业、医疗、国防、教学和科研等领域。为了对这些装置进行合理利用并保证相关工作人员的健康安全，需要对放射性装置及其外围环境的辐射剂量进行监测。为保证核电站的安全运行，必须对核电站各部分及其外围环境的辐射剂量进行实时监测。

当前广泛应用的辐射剂量监测仪主要为电离室探测器、G-M管探测器和半导体探测器等，这些电学辐射剂量测定系统需要一个外部的高压源供电并且必须具有很好的电绝缘性，但绝缘性在辐射环境下会逐渐性能退化，这种退化严重地影响了系统的稳定性。另外，电学辐射剂量测定系统的辐射剂量信息通过电导线传输，由于辐射致电动势会产生电子噪声，干扰了剂量信息的信号传输。

电离室探测器的结构主要包括正负电极、充满高压气体的电离腔、放大电路等，当高能粒子入射到电离室与电离室内的气体(空气、氙气等)相互作用，导致电离室内的气体电离产生电子和正离子在电极间的电场中漂移，最终被正负电极所收集，形成电流，并被放大电路放大，形成输出电流。电子和正离子对的数密度和入射辐射粒子的总强度成正比，因此可以根据输出电流的大小测量辐射强度。但由于结构上的缺陷导致电离室探测器主要存在以下的问题：

辐射在电离室中产生的信号脉冲极为微弱，需要配合高精度、低噪声放大电路才能有较高灵敏度，导致系统的复杂度较高；

电离室探测系统需要一个外部的高压源供电并且必须具有很好的电绝缘性，但绝缘性在辐射环境下会逐渐性能退化，这种退化严重地影响了系统的稳定性；

电离室探测系统的辐射剂量信号通过电导线传输，但由于辐射致电动势会产生电子噪声，干扰了剂量信号的传输；另外由于电导线自身存在电阻等原因，一般电导线的传输距离有限，稳定性较差，而辐射会威胁到人身安全，因此远距离传感缺陷也是该方案的一个弱点。

发明内容

本发明为解决现有的辐射剂量测量系统存在的系统复杂度较高、稳定性较差以及在辐射环境下存在的受辐射影响性能退化的问题，提出了一种全光纤在线辐射剂量测量系统，包括用于提供光信号的光源、用于分光的2×2耦合器、参考光路、测量光路、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计、计算机，所述测量光路由用于外界与辐射环境间光信号输入输出的抗辐照传导光纤和用于测量辐射剂量的敏感光纤组成，用于测量辐射环境下敏感光纤辐射致传输损耗。

由上述技术方案可以看出，本发明提供了一种长期适用于辐射环境下辐射剂量测定的全光纤远程辐射剂量在线监测系统，并实现系统的简单化和稳定性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的全光纤在线辐射剂量测量系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的敏感光纤元件的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的测试系统各物理量间转化关系框图；

图4是本发明具体实施方式提供的测试系统的计算机测试显示界面示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的某锗磷共掺杂光纤的辐射致衰减A(t)随时间变化曲线图。

具体实施方式

本发明具体实施方式提供了一种全光纤在线辐射剂量测量系统，如图1所示，包括用于提供光信号的光源1、用于分光的2×2耦合器2、参考光路3、测量光路4、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计5和用于信号处理显示的计算机6，测量光路4由用于外界与辐射环境间光信号输入输出的抗辐照传导光纤和用于测量辐射剂量的敏感光纤组成，用于测量辐射环境下敏感光纤辐射致传输损耗。

具体的，图1中的光源1为工作波长在通信波段(1310nm或1550nm)的稳定SLD光源；抗辐照传导光纤作为光信号的传输媒介；双通道光功率计5用于测量测量光路4和参考光路3的输出光功率；计算机6用于存储、处理、显示辐射剂量及剂量率信息。而测量光路4是由用于外界与辐射环境间光信号输入输出的抗辐照传导光纤、用于测量辐射剂量的敏感光纤和用于缠绕、固定敏感光纤的金属骨架组成。测量光路4中的关键部分为敏感光纤元件，该敏感光纤元件如图2所示：由金属骨架和缠绕在其上的长度为L的敏感光纤组成。其中敏感光纤为特种光纤，有较高的辐射感应度。例如，一种50米锗磷共掺杂光纤的最小感应辐射剂量达到0.1Gy(1Gy＝100rad)。

本具体实施方式通过对测量光路的输出光信号P_m(t)和参考光路的输出信号P_r(t)与测试开始时刻测量光路的输出信号P_m(0)及参考光路的输出信号P_r(0)进行对比，求得敏感光纤在辐射环境下引起的辐射致传输损耗A(t)：

A (t) = 10 \cdot \lg (\frac{P_{m} (t) - P_{r} (t)}{P_{m} (0) - P_{r} (0)})

然后根据敏感光纤辐射致传输损耗与辐照剂量之间的关系：A(t)＝g(D(t))，求得t时刻被测点的累积辐照剂量D(t)。在测试过程中实时测量被测点的累积辐照剂量，对随时间变化的累积辐照剂量D(t)求微分，即可求得在t时刻被测点的辐照剂量率

从而实现了被测点辐照总剂量和剂量率的在线实时测量。

测试系统各物理量间转化关系如图3所示。首先测量出光路信号功率P_m(t)和参考光路信号功率P_r(t)；其次，计算敏感光纤的辐射致损耗A(t)(如公式1计算所示)；第三，特种敏感光纤的辐射致损耗与累积辐射剂量之间的关系A(t)＝g(D(t))反推出累积辐射剂量D(t)，其中函数g(D)为光纤的辐射致传输损耗A(t)与累积辐射剂量D(t)之间的函数关系；最后，在辐射环境下随时间变化D(t)，对该函数求时间的微分即可获得待测辐射环境下的辐射剂量率

全光纤辐射剂量在线测试系统的计算机测试显示界面如图4所示。光纤接受的累积辐射剂量随时间的变化数据，并在计算机上实时显示，方便用户观察到累积辐射剂量随时间的变化情况。而测量光路输出、参考光路输出、敏感光纤损耗、累积辐射剂量、辐射剂量率等参数进行实时显示，便于用户实时观察当前系统的运行状态。计算机测试界面包括开始和结束按钮，点击“开始”按钮，则测试开始，此刻记录测量光路和参考光路的输出功率值作为后续累积辐射剂量测试的参考。点击“结束”按钮，则测试终止。在辐射剂量监测中，针对不同的应用目的，各种辐射环境都具有各自的辐射剂标准。如果辐射剂量超标，则需要有报警提示。在本发明的计算机测试界面中设置两个报警按钮，根据辐射剂量测试仪的应用环境设置辐射剂量率超标剂量率值1和辐射剂量率严重超标的剂量率值2。当辐射剂量率超过辐射剂量率值1时，黄色报警灯亮，提示工作人员检查设备运行状况；当辐射剂量率超过故设计量率值2时，红色报警灯亮，提示工作人员采取紧急应对措施。

按照本具体实施方式提供的方案，采用一种50米锗磷共掺杂光纤对剂量率恒定的⁶⁰Co-γ辐射源的实验结果如图5所示。由图可见，相当长的时间内，本方案测得的辐射致衰减随辐射剂量变化有较好的线性度，验证了本方案的可行性。

本具体实施方式首先采用足够长度的抗辐照光纤将光源、功率计和计算机等测量设备传感光纤相连接，使得除传感元件以外的测量系统都远离辐射环境，即实现远距离测量，克服电学测试系统等在辐射环境下存在的受辐射影响性能退化。

其次，本具体实施方式的信号传输介质为抗辐射光纤，发挥光纤通信的优势的同时消除辐射导致传感信号传输产生的影响。

再次，本具体实施方式设置参考光路，采用与测量光路完全并行的抗辐照传导光纤构成，采用的抗辐照传导光纤类型与测量光路中采用的抗辐照传导光纤完全相同，由于抗辐照光纤在辐射环境下辐射致损耗很小并且容易达到饱和，减少了光路系统的辐射致衰减，基本消除光源输出功率波动和传导光纤辐射致损耗对测量结果影响；

然后，本具体实施方式直接测量信号为光功率，不需要上述现有方案——电离室探测器所需要的高精度、低噪声放大电路，实现信号处理简单化。

最后，本具体实施方式通过对随时间变化的累积辐照剂量D(t)求微分，即可求得在t时刻被测点的辐照剂量率

并进行简单信号处理，实现辐射剂量超标警报功能。

本发明提出的全光纤式辐射剂量在线实时测量方案，首先采用特种光纤作为辐射测量系统的敏感元件，抗辐射光纤进行信号传输介质，实现远距离测量，克服了电学测试系统在辐射环境下受辐射影响性能退化从而影响系统稳定性的缺点；其次，采用光纤进行辐射剂量信号传输，不会产生辐射致传输噪声；再次，设计抗辐照光纤参考光路，基本消除了测量光路对实验测量的影响；最后，以简单的信号处理实现辐射剂量实时监测的同时，增加了实时辐射剂量率超标警报功能。另外，全光纤传感结构，与光时域反射计(OTDR)等技术结合，可以实现辐射剂量分布测量或者定点准分布测量，在放射性医疗，核电站有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全光纤在线辐射剂量测量系统，包括用于提供光信号的光源、用于分光的2×2耦合器、参考光路、测量光路、用于测量两光路输出光功率的双通道光功率计、计算机，其特征在于，所述测量光路由抗辐照传导光纤和用于测量辐射剂量的敏感光纤组成，通过测量辐射环境下敏感光纤辐射致传输损耗来实现全光纤在线辐射剂量测量。

2.根据权利要求1所述的全光纤在线辐射剂量测量系统，其特征在于，所述光源采用工作波长在通信波段的稳定SLD光源。

3.根据权利要求1所述的全光纤在线辐射剂量测量系统，其特征在于，敏感光纤与传导光纤之间采用熔接方式耦合。

4.根据权利要求1所述的全光纤在线辐射剂量测量系统，其特征在于，所述参考光路采用抗辐照光纤作为光信号的传输媒介。

5.根据权利要求1所述的全光纤在线辐射剂量测量系统，其特征在于，所述测量光路中的敏感光纤通过缠绕在金属骨架上实现固定连接。