CN104428689B - 辐射检测器 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种辐射检测器装置，该装置包括适合于分布式光纤声学/振动感测的至少一个光纤（104），该光纤至少邻接与第二电极（202）隔开的第一电极（201），其中第一电极和第二电极之间具有气体。

Description

辐射检测器

本发明涉及用于检测电离辐射的，使用光纤的方法和装置，并特别地涉及分布式光纤辐射检测器。

存在希望检测和/或监视电离辐射的各种应用。例如，在核能工业中可能希望监视在发电站之内的各种位置处的辐射水平。在许多实例中，期望能够远程和自动地完成这样的监视。同样，医院放射科部门以及使用放射性源的其他组织也可能具有针对安装的辐射检测器的需求。

被部署以提供在给定位置中的监视的辐射检测器通常倾向于是气态电离检测器或者诸如半导体辐射检测器的固态检测器。

气体电离检测器，诸如众所周知的Geiger–Müller管，通常包括在气态大气中的两个紧密隔开的电极，其中低于气体的击穿电压的电势差被施加到所述电极。在存在电离辐射的情况下，气体的某些原子或分子将被电离，并且产生的电子和离子将允许电流在所述电极之间流动。电流的流动可以被检测并且被用作电离辐射的存在的指示。所施加的电势差的强度可以是相对高的，从而导致气体中的雪崩倍增（avalanche multiplication），其导致针对每个检测事件的相对大的电流脉冲。

半导体检测器通过测量由创建在检测器材料中的电子-空穴对的电离辐射引起的得到的电流来操作。半导体检测器可以提供快速反应时间但倾向于比气态电离检测器昂贵并且可能需要冷却来减少泄漏电流。

这样的辐射检测器在给定位置处操作以测量该位置处的电离辐射。在很多应用中，多个不同的检测器必须定位于各种位置处以提供足够的覆盖，例如提供足够的面积覆盖和/或提供在设施之内的不同位置处的监视。每个检测器必须被供电并且通常必须能够将其读数传送到诸如一个或多个控制中心的远程位置。因此，安装这样的辐射检测器可以存在相对显著的成本和复杂度。

本发明的实施例提供了至少减轻这些问题中某些的辐射检测器。

因此，根据本发明，提供了一种辐射检测器装置，其包括：适合于分布式光纤声学/振动感测的至少一个光纤，该光纤至少邻接与第二电极隔开的第一电极，其中第一电极和第二电极之间具有气体。

在操作中，电势差将被施加在第一电极和第二电极之间。因此，所述装置可以包括用于将电势差施加在第一电极和第二电极之间的电路。电势差可以相对高但低于气体的击穿电压。特别地，所述电势差可以足够高以使得气体的电离的原子/分子的存在导致雪崩倍增。因此，在存在电离辐射的情况下，气体的某些原子/分子可被电离，导致在电极之间的带电粒子的级联（cascade），例如来创建火花。

光纤邻接电极并且适合于分布式声学感测。分布式声学感测（DAS）是一种已知类型的感测，其中光纤被部署为感测纤维并且被以光辐射（这里其应该被理解为意味着可见光以及紫外或红外辐射）询问。从光纤之内反向散射的辐射被检测并且被分析以揭示关于作用于在感测纤维即通道的不同纵向区段中的光纤的声学激励的信息。通常，询问光辐射包括光辐射的一个或多个脉冲并且通过分析在一个或多个时间箱（time bin）中的反向散射辐射，可以检测在光纤的一个或多个离散感测部分处入射的声学信号。因此，DAS传感器有效地充当光纤的感测部分的线性感测阵列，其可以是（但不必须是）邻近的。纤维的感测部分的长度通过询问辐射的特性以及对反向散射信号应用的处理确定，但是可以使用大约数米到数十米数量级的感测部分。注意，如这里所用的那样，术语声学应该意味着可导致光纤上的应变（strain）改变的任何类型的压力波或机械扰动，并且为了避免疑惑，术语声学被视为包括超声波和次声波。

在本发明的实施例中，可使用已知的分布式声学感测技术监视光纤。如上所述，在存在电离辐射的情况下，气体可被电离并且带电粒子级联，即火花可以由于电极之间所施加的电势差而被产生。该级联将不仅导致带电粒子的流动，而且一般将产生在气态介质中的压力波，即声波。换言之，在使用中，由电离辐射的存在而产生的火花一般将由可以是相对强的尖锐声音伴随。分布式声学传感器能够检测由级联生成的声波并且因此提供已经发生了放电的指示，因此指示电离辐射的存在。分布式声学传感器可以有效地“监听”与火花或带电粒子级联相关联的声音。随时间的检测事件的数量将给出在给定位置处的电离辐射的水平的指示。

带电粒子级联还将生成可以附加地或替代地被分布式声学传感器检测的热信号。即火花将导致气体和电极受热。如果分布式声学传感器定位于接近于，例如耦合到电极中的一个，则由级联生成的热量中的至少某些将传递到光纤或者至少传递到熔覆（cladding）/夹套（jacket）层。火花可以在相对短的时段内导致温度上的相对大的改变。这将导致由光纤的折射率的调制产生的光路长度改变以及纤维材料的可能的任何热膨胀。因此，光纤/夹套材料的相对快速的受热将导致像扰动一样相对快速的应变。该热引入的路径长度改变在可以由分布式声学传感器检测的时间规模上，所述分布式声学传感器代替或者除了声压力波之外。在某些实例中，检测热引入的扰动可以提供电离事件的更可靠检测。

本领域技术人员将理解，分布式声学传感器响应于纤维的连续询问，比较从纤维的给定感测部分返回的信号，以便确定纤维的任何扰动活动。这样的传感器能够提供在声频处的入射振动的良好检测。然而，这样的传感器通常不能够可靠地检测低频应变以及缓慢的温度改变，而且这样的低频效应确实可被看作噪声。然而，本发明人理解，由带电粒子级联引起的受热效应将导致由较缓慢的冷却跟随的相对快速的受热，其将在来自分布式声学传感器的返回中创建可靠的签名。

本领域技术人员还将理解，基于光纤的分布式温度感测（DTS）是另一已知技术，其依赖于检测已经经受了Brillouin和/或Raman散射的光以及分析光来确定温度。应注意，大多数DTS系统要求相对长的时间平均来提供准确的测量结果，并且常规的DTS系统通常将缺乏时间分辨率以及温度分辨率来检测由带电粒子级联产生的热脉冲。

因此，本发明的实施例使用两个隔开的导体来在存在电离辐射的情况下生成带电粒子级联，但使用光纤分布式声学传感器来检测与级联相关联的扰动，其可以是由于声压波或者由于归因于级联的热量扰动或者由于二者。

因此，光纤加倍为感测纤维以及将感测数据从感测位置传送到适合的控制站的装置二者。

在一个实施例中，可以存在在沿光纤的长度的间隔处隔开的多个电极对，每个电极对包括第一电极和第二电极。如上文提及的那样，在DAS中，光纤可以提供多个离散的感测部分。光纤因此可以被询问，使得至少某些电极与在使用中的纤维的不同感测部分相关联。这意味着，与在一个位置中的一个电极对相关联的检测事件可以区分于与在不同位置中的另一电极对相关联的检测事件。因此，可以使用相同的光纤来分离地监视来自在两个不同位置中的电极对的检测事件。

在一个实施例中，第一和第二电极可以是延伸光纤的长度的至少一部分延伸的细长电极。第一和第二电极可以在长度上大于100 m或者在长度上大于500 m或者在长度上大于1 km。本发明的该实施例提供了分布式电离辐射检测器。

在该实施例中，第一和第二电极将在使用中具有如先前描述的施加到它们的电势差，并且在存在电离辐射的情况下，沿电极的长度的任何位置（其中在电极之间存在适合的气体）可以导致带电粒子的级联并且因此创建在相关位置处的激励。如先前描述的那样，可以询问光纤以提供多个离散的感测部分并且因此可以在光纤的单独的感测部分中检测与电离事件相关联的扰动。这意味着细长电极和光纤的布置可以伸展通过该区域并且有效地提供电离辐射的多个单独的检测器。本发明的该实施例因此提供了在各种位置处检测电离辐射的一种非常方便的方法。根据本实施例的分布式辐射检测器可以被轻易地安装并且仅需要将电势差供应到电极（其可以在远离被监视的区域的一端处完成）以及光纤的端的光询问，再次，其也可以远离被监视的区域。因此，不需要针对向多个点传感器供应功率或者从多个点传感器接收数据的复杂布置。

可以由使用的询问光辐射的特性以及后续的分析确定光纤的感测部分的长度。例如，可以询问光纤以提供在长度上为大约10 m的数量级的多个邻近的感测部分。因此，每个10 m区段充当分离的检测器。虽然由每个火花即电离事件生成的声学/热量信号将是可检测的，但激励在多于一个感测部分（取决于布置）中未必可检测，除非它在非常靠近在感测部分之间的边界处发生。因此每个感测部分可以提供很大程度上独立的检测器。如将在下文更详细陈述的那样，在使用中也可以通过改变询问辐射的特性和/或分析来变化在光纤之内的感测部分的空间尺寸和位置。这提供了分布式辐射检测器的操作中的灵活度，其在固定点传感器的情况下不存在。

该实施例需要将电势差施加到在长度上相对长，即在长度上是数百米或者甚至数千米数量级的电极。然而，不需要显著的电流流动，并且因此能量要求相对低。

应该注意，如果电离事件导致带电粒子的级联，则将在电极之内生成电流。可能检测这样的电流脉冲，但是针对数百米长度或更长的电极，在不需要使用低电阻电极（其因此成本高）的情况下准确地检测小的电流脉冲可以是困难的，并且在可能的干扰以及信噪比的情况下可能存在显著的问题。然而，即使可以可靠地检测电流脉冲，也应注意电流脉冲的检测将仅指示在沿电极长度的某处已经发生了至少一个电离事件。针对具有500 m的数量级的长度或更长的电极，这可能给不出关于电离事件发生在哪里的足够的信息。而且，将不可能区分在不同位置处发生的两个事件，而是其生成同时的电流脉冲。因此仅仅观察产生的电流将不提供关于沿电极的长度的电离辐射的位置的显著信息。

然而，在本发明的实施例情况下，电离事件的位置可以被确定到在光纤的感测部分的空间分辨率之内并且将分离地检测在不同位置处的同时的事件。

然而，在某些实施例中，可以监视在电极中生成的电流。通过监视在电极中流动的总电流以及由分布式光纤传感器检测的电离事件，可能确定关于电离辐射的某些附加信息和/或提供某些校准（calibration）。例如，考虑在第一时间处，电离事件的仅有的源是背景辐射。这可导致在沿纤维的长度的随机位置处发生的检测事件并且可以生成在电极中的第一值的电流。如果在之后的时间处在纤维的给定位置处，假定从纤维的若干邻近的感测部分检测显著地更多的电离事件，则这可以指示辐射源正在辐射该位置。在该点处，电极中的总电流可以已经增加到第二值。在电流中的该增加可以被假设为由作用于纤维的相关区段的增加电离事件产生。因此，在电流中的增加给出在给定位置中发生的电离事件的数量的指示。因此，测量总电流可以给出沿电极的长度发生的电离事件的数量的指示，以及其如何随时间改变的指示以及分布式光纤传感器允许电离事件发生定位于哪里的指示以及事件数量的另一测量的指示。

在一个实施例中，光纤可耦合到第一或第二电极中的至少一个，即机械地耦合。这可以改善由带电粒子级联产生的声学激励到光纤耦合和/或由级联生成的热量从电极到光纤的流动。因此，例如将通常被布置在至少一个熔覆层或夹套层中的光纤可以附接到比方说第一电极。耦合到光纤的电极被优选地布置为沿与光纤相同的一般方向延伸。

光纤可以具有涂层或阻挡层以保护其免受在存在电离辐射的情况下发生的放电。光纤还可以被涂上保护光纤免受归因于电离辐射的损害的材料。

可以选择光纤和电极之间的材料以具有期望的热特性，例如来提供到光纤夹套的良好热传递，例如相对高的传导性和/或热膨胀，和/或在某些实例中的相对高的热膨胀的系数（虽然由纤维的受热引起的折射率调制可能是比任何热膨胀大的效应）。

在一个实施例中，第一和/或第二电极可被布置在具有光纤的线缆结构之内。换言之，光纤线缆结构可以包括第一和第二电极中的至少一个并且可以包括二者。在线缆包括第一和第二电极二者的情况下，电极可被多孔材料在至少某些区段中分离，以允许在电极之间的气体和/或允许在电极之间存在可以以气体填充的至少一个空处。换言之，可以设计线缆，使得气体能够弥漫或者被包含在第一电极和第二电极之间。在一个实施例中，第一和第二电极可以伸展通过在使用中包含气体的一系列空腔。可以布置空腔以具有导致特定的谐振频率的尺寸。如果由火花导致压力波，则空腔可在谐振频率处谐振。检测谐振频率可以帮助检测电离事件。

第一和第二电极中的至少一个可以包括导线。然而，在一个实施例中，至少一个电极可以包括具有弓形截面的导体。例如，第一电极可被布置有弓形截面并且被布置为至少部分地围绕第二电极。第一电极可被形成为管。在一个实施例中，第二电极也可具有弓形截面并且可被布置为至少部分地围绕光纤。第二电极可包括管。

方便地，分离第一和第二电极的气体可以是空气。因此，第一和第二电极可以被分离，以留下在使用中可以对环境开放来允许电极之间的空气的气隙。附加地或者替代地，第一和第二电极可被绝缘材料至少在位置中分离，该绝缘材料对空气是多孔的，但在使用中允许带电粒子的级联。

然而在某些实施例中，特别是其中第一和第二电极形成线缆结构的一部分的情况下，电极可被布置在密封的环境之内。在这样的环境中，所述气体可以是在制造线缆结构期间封装的空气，但在其他实施例中，如果优选，则使用不同的气体，例如当电离引入的放电发生时比空气容易电离和/或产生更大的声学信号的气体。在密封的环境中，是空气或是某些其他的气体的气体可以被加压。然而在密封的环境中，电离辐射将必须通过阻挡层以到达气体来引起将检测的电离。可以选择在结构中用于将气体从环境密封的材料以对电离辐射具有最小的影响，即允许显著量的电离辐射通过到包含的气体中。然而，取决于将被检测的辐射的类型，例如阿尔法辐射、贝塔辐射或伽马辐射，所述材料可被调节以提供针对到达气体的电离辐射的调制或过滤的度。

因此一般地，在分离第一电极和第二电极的气体与电离辐射的入射方向之间可以存在至少一个阻挡层。阻挡层可具有被调节以过滤特定类型的电离辐射的特性。例如，阻挡层可以足够厚以吸收阿尔法粒子或者阻碍低能量的辐射。

阻挡可以沿着电极和光纤的长度而变化。在第一区段中，可以不存在显著的阻挡层，而在第二区段中，可以存在阻挡层，其阻止阿尔法粒子比方说到达分离电极的气体。如果第一和第二区段位于光纤的不同的感测部分中，则从第一区段检测的声学/热学事件可以指示电离辐射的总量，而从第二区段返回的信号将仅表示来自具有足够的能量通过阻挡层的非阿尔法粒子的电离事件。

如上文提及的那样，在某些实施例中，第一和第二电极可以伸展穿过各种空腔。在一个实施例中，至少某些空腔被调节以具有彼此不同的谐振频率。不同谐振频率的至少某些空腔可以具有不同的阻挡材料。以这样的方式，若干空腔可被布置在DAS传感器的单个感测部分之内，每个空腔具有不同的过滤材料。检测归因于级联放电的声学信号指示电离事件，并且检测相关联的谐振频率可以指示在其之内发生所述事件的特定空腔。这可以潜在地给出关于电离辐射的特性的某些信息。

上文描述的实施例将检测对相关气体进行直接电离的电离辐射。然而在某些实施例中，检测器装置可以附加地或者替代地被布置以检测经由次级电离的辐射。因此传感器可包括通过放射电离辐射来响应于入射辐射的材料。例如，为检测可能不引起气体的直接电离的中子，所述装置可以包括响应于中子吸收而放射电离辐射的中子吸收材料。以这样的方式，任何入射中子可被中子吸收材料，即具有高中子吸收截面的材料吸收，导致来自中子吸收材料的电离辐射的次级放射。该次级电离辐射能够引起气体的直接电离，并且因此导致可以如先前所述的那样检测的火花。适合的中子吸收材料可以是硼10但其他材料是已知的。

为了将归因于中子的事件从导致直接电离的辐射隔离，该装置可以包括基本上阻碍或衰减其他形式的电离辐射的在传感器的至少一部分上的屏蔽层。在某些实施例中，中子吸收材料可以包括屏蔽层的至少一部分。

此外，装置可被布置有响应于中子的一个或多个区段，例如被布置有屏蔽层和中子吸收材料以及响应于直接电离辐射的一个或多个区段，即在没有屏蔽层和中子吸收材料的情况下，其中每个区段对应于DAS传感器的不同的感测部分，以允许相同装置被用于检测中子和直接电离辐射。

本发明的实施例提供了一种辐射检测器，其包括上文描述的装置、耦合到光纤用于对光纤执行分布式声学感测的询问器单元以及用于向第一和第二电极施加电势差的电路。

然而从前述内容中可清楚地看出，虽然可以使用分布式声学感测的技术（就以下内容而言：以光辐射的脉冲询问光纤、检测反向散射的辐射以及针对归因于任何路径长度改变的改变分析这样的辐射），但是检测还可以寻找归因于与带电粒子级联相关联的热事件的特性签名，代替或者除了检测声学压力波之外。因此为了避免疑惑，如本文使用的那样，术语分布式声学传感器是指适合于分布式声学感测的分布式光纤传感器，即响应于感测纤维的相对快速的路径长度改变（不论如何生成）的分布式光纤传感器。

询问器单元被配置成发起到光纤中的询问光辐射并且被配置成检测从纤维之内反向散射的光辐射。询问器单元也可以被配置成处理检测的反向散射辐射以产生针对光纤的多个感测部分中的每个的测量信号，该测量信号指示由所述感测部分检测的信号。

该装置还也包括用于处理所述测量信号以检测与电离事件相关联的信号的处理器。例如，处理器可以分析信号来检测火花或级联放电的信号特征，即相对强的、短持续时间的声学信号，可能具有特性频率或者频率的扩展和/或由归因于冷却的向下斜坡跟随的归因于快速受热的快速尖峰。

在使用中，用于将电势差施加到第一和第二电极的电路可被布置来随时间对施加的电势差进行调制。

响应于电离事件，电势差可被周期地关闭或降低到低电平，该低电平不足以引起带电粒子的级联。应该理解，DAS传感器将不仅响应于由电离事件生成的扰动，还响应于其他入射声学信号。由电离事件产生的信号的特性签名，即相对强、短持续时间的声学信号和/或具有在检测的信号中的跟随以归因于冷却的回到基线的较缓慢的斜坡的归因于快速受热的尖峰，可能具有特性频率或者频率的扩展，在某些实施例中可以彻底不同于任何背景声学信号。在该情况下，可以从入射到DAS传感器的光纤上的任何背景噪声信号容易地标识并区分归因于电离事件的信号。然而，在至少某些实施例中，可能希望确定作用于纤维的背景噪声以便改善归因于电离事件的信号的检测。通过响应于电离辐射，周期地降低在第一和第二电极之间的电势差从而基本上停止任何激励，可以直接确定背景噪声并且在归因于电离事件的声学信号的后续的识别中使用所述背景噪声。

附加地或者替代地，可以随时间调制在第一和第二电极之间的电势差从而确定关于存在的任何电离辐射的光谱信息。通过变化在电极之间的电势差，在级联放电发生之前需要的电离量也变化。例如，相对低能量的粒子在它通过气体时可能仅电离少数气体分子/原子。在高的施加的电势差的情况下，这可以导致带电粒子的级联，因为少数的离子/电子被加速导致雪崩倍增。在较低的施加的电势差处，低能量的粒子可能不产生足够的电离的粒子来创建级联。因此，通过变化电势差以及监视归因于级联放电的检测的信号量，可以确定关于辐射的能量内容的信息。

本发明还涉及检测电离辐射的方法。因此，本发明的另一方面提供了一种辐射检测方法，该方法包括：将电势差施加于在气体中彼此分离的第一电极和第二电极之间，其中电势差是足够的，使得气体的电离引起在所述电极之间的带电粒子级联，以及询问被部署邻接于所述第一和/或第二电极的光纤以提供分布式声学传感器；以及针对与带电粒子级联相关联的信号监视所述分布式声学传感器。

本发明的该方面的方法提供了与本发明的第一方面相同的全部益处和优势，并且可以在全部相同的实施例中操作。

一般地，本发明的实施例提供了一种分布式辐射检测器，其包括彼此隔开的第一和第二细长电极以及分布式声学传感器，该分布式声学传感器包括沿着所述第一和第二细长电极的路径部署的感测光纤。

本发明还涉及分布式声学传感器用于检测由在两个电极之间的火花生成的声学信号以检测电离辐射的用途。

现在将仅参考以下附图，经由示例来描述本发明，其中：

图1图示了常规的分布式声学传感器；

图2图示了根据本发明的辐射检测器的实施例；

图3图示了具有多个电极对的辐射检测器；

图4图示了根据本发明的分布式辐射检测器的实施例；

图5图示了根据本发明实施例的第一线缆结构；

图6根据本发明实施例的第二线缆结构；

图7图示了适合于检测中子的实施例；

图8图示了根据本发明实施例的使用辐射检测器的光谱图；以及

图9a和图9b图示了记录的火花放电的两个时间序列。

本发明将分布式声学感测技术应用于电离辐射的检测/监视。

图1示出了常规的分布式光纤感测布置的示意图。一段感测纤维104在一端处可移除地连接到询问器106。来自询问器106的输出被传递到可以与询问器共同定位或者可以远离询问器的信号处理器108，并且可选地被传递到在实践中可以由适当指定的PC实现的用户界面／图形显示器110。用户接口可以与信号处理器共同定位或者远离信号处理器。

感测纤维104在长度上可以是数千米，并且在长度上可以例如是40 km或更长。感测纤维可以是诸如在通信应用中例行使用的标准的、未修改的单模光纤，不需要诸如纤维Bragg光栅等等的故意地引入的反射站（reflection site）。使用标准光纤的未修改的长度以提供感测的能力意味着可以使用低成本的容易得到的纤维。然而，在某些实施例中，纤维可以包括已被制造为对入射振动特别敏感的纤维。在使用中，纤维104被部署在将监视的感兴趣的区域中。

在操作中，询问器106将询问电磁辐射发起到感测纤维中，所述询问电磁辐射可以例如包括一系列具有选择的频率模式的光学脉冲。光学脉冲可以具有如在GB专利公开GB2,442,745中描述的频率模式，由此将其内容通过引用合并于此，虽然依赖单个询问脉冲的DAS传感器也是已知的并且可以被使用。应注意，如本文使用的那样，术语“光学”不限制于可见光谱，并且光辐射包括红外辐射和紫外辐射。如在GB 2,442,745中描述的那样，Rayleigh反向散射的现象导致输入到纤维中的光的某部分被反射回到询问器，在其处其被检测来提供输出信号，所述输出信号表示在纤维附近的声学/机械扰动。因此，询问器方便地包括至少一个激光器112和至少一个光调制器114，用于产生由已知的光频差分离的多个光学脉冲。询问器也包括至少一个光电检测器116，其被布置为检测从在纤维104之内的本征散射站（scattering site）Rayleigh反向散射的辐射。Rayleigh反向散射DAS传感器在本发明的实施例中非常有用，但基于Brillouin或Raman散射的系统也是已知的并且可以在发明的实施例中使用。

来自光电检测器的信号由信号处理器108处理。信号处理器基于在光学脉冲之间的频差，方便地对返回的信号进行解调，例如如在GB 2,442,745中描述的那样。信号处理器也可以应用如在GB 2,442,745中描述的相位解缠（unwrap）算法。因此可以监视来自光纤的各种区段的反向散射光的相位。因此可以检测在纤维的给定区段之内的有效光路长度中的任何改变，诸如由于入射压力波导致在纤维上的应变或者由于光纤线缆的局部快速受热导致折射率的调制将是的那样。

光输入的形式和检测方法允许将单个连续纤维空间地分解成离散的纵向感测部分。即可以基本上独立于在邻接部分处感测的信号提供在一个感测部分处感测的声学信号。这样的传感器可以被视为完全分布式或本征传感器，因为其使用在光纤中内在处理的本征散射，并且因此贯穿完整的光纤分布感测功能。光纤的感测部分的空间分辨率例如可以是大约10 m，其针对比方说40 km的数量级的连续长度的纤维提供大约4000个独立的声学通道，沿40 km的纤维部署所述独立的声学通道。

已经在许多环境例如周长（perimeter）监视中采用DAS。本发明的实施例在使能辐射检测器中使用DAS。

将参考图2说明所述辐射检测器的原理。根据本发明的一个实施例，图2在左边示出了辐射检测器的剖视图并且在右边示出了辐射检测器的侧视图。图2示出了邻接第一电极201的光纤104，该光纤104是诸如上文关于图1描述的那样的感测光纤。由气隙d将第一电极从第二电极202分离。电极201和202可以是任何适合的传导性电极，例如导线等等。由诸如绝缘隔离片（spacer）203的支撑结构将电极支持达期望的距离d，并且在使用中，以气体填充在电极之间的空间。在某些实施例中，在电极之间的间隙对局部环境可以是开放的，并且因在使用中可以被填充以空气。

在使用中，将电势差V通过适合的电路（在图2中未示出）施加到电极201和202。施加的电势差是相对高的，但是低于相关气体的击穿电压，在该实例中所述相关气体为空气。施加的电势差可以例如是3 kV/m的量级（基于电极的分离d）。在不存在电离辐射的情况下，施加的电压因此不足以导致气体的击穿。

然而，在存在电离辐射的情况下，电离辐射可以导致电离事件204，其中气体的一个或多个原子或分子被电离。产生的电子和离子将被相对高的电势差加速并且可以导致雪崩倍增。带电粒子的级联因此可以流到电极（取决于相对极性）。有效地，电离辐射对足够的气体原子/分子进行电离以产生级联放电，例如火花。这将产生电流的瞬间流动但是也将创建在气体中的声波。该声学激励将被入射到感测光纤上并且可以被检测为如上文描述的声学激励。

带电粒子的级联，即火花，将导致在火花的附近的电极201的受热。该热量中的至少某些将流到光纤104并且导致在路径长度中的相对快速的改变，例如，来自光纤的折射率的调制。这可以导致以好像施加了突然的应变的类似形式的在来自光纤的测量信号中的可检测的改变。该受热将是相对快速的，比方说大约10 ms的数量级。然后光纤将在比方说大约半秒的时段内冷却。该效应可以产生在来自DAS传感器的测量信号中的特性签名，其具有快速的改变，跟随以回到先前水平的缓慢斜坡，该缓慢斜坡也可以被检测。因此，代替或者除了响应于声压力波检测突然的强信号之外，也可以检测归因于由火花导致的快速受热的信号。

本发明的实施例因此使用DAS传感器来有效地监视在存在电离辐射情况下由气体放电事件产生的火花。在每个感测部分中随时间检测的这样的事件的数量可以被用于给出在光纤的每个感测部分处的电离辐射的数量的指示。

为了最大化由光纤104检测的声学信号，纤维可耦合到至少一个电极。如在图2中示出的那样，光纤耦合到电极201并且与电极202隔开，虽然在另一实施例中，第二电极可以定位于205从而也耦合到光纤。将纤维耦合到电极中的一个也将最大化归因于火花的从电极到纤维的热量传输，并且因此最大化热签名。

为了保护光纤免受火花的影响，光纤可以被布置于涂层206（其可以是光纤的正常夹套材料的一部分或者是附加的保护层）中。可以选择涂层206来保护纤维，而且提供诸如高的热膨胀或传导性的期望的热特性。

光纤可被部署邻接于多个第一和第二电极对，如在图3中示出的那样，其图示了伸展通过第一电极对201a和202a以及第二电极对201b和202b的光纤。可以布置DAS传感器，使得至少某些电极对位于不同的感测部分中。因此，电极对201a和202a位于第一感测部分104a中，并且电极对201b和202b位于第二感测部分104b中。

然而在某些实施例中，电极201和202可以是在长度上为数百米的数量级或更长的细长电极。图4示出了其中光纤104具有沿其长度的显著部分伸展的第一电极201和第二电极202的实施例。可以询问感测光纤来提供如上文讨论的多个感测部分。每个感测部分将检测由在该感测部分之内的级联放电产生的声学事件。以这样的方式，各种电离事件的位置可以被检测到光纤的感测部分的空间分辨率之内。如上文所提及的那样，可以在长度上多达40 km的数量级或更长的光纤上采用DAS，其中空间感测部分在长度上大约为10 m的数量级，提供了4000个感测通道。

为了在例如设施之内的一系列位置处提供辐射感测，具有诸如导线（例如，正常的铜线等等）的细长电极的光纤可以被以期望的模式铺设通过建筑。可以布置光纤和电极来环绕关键位置。在需要增加敏感度的区域中，可以布置光纤和电极来具有多个环路从而最大化所检测的改变。也可以按模式布置纤维和电极，以变化传感器的有效空间分辨率，例如如果纤维被询问以提供在长度上为10 m的感测部分，并且至少10 m长度的光纤的部分被布置于在给定位置中的1 m距离之内，则该部分的有效空间分辨率将是1 m。

取决于被检测的辐射的类型，光纤和电极可以被定位附接到壁结构或者定位于壁结构之内，诸如在空腔壁之内，可以被被布置为在地板上或地板下伸展和/或伸展通过天花板空间或者附接到绳环（rove）。

具有在长度上为数千米的数量级的单个光纤连同类似长度的电极可以提供显著程度的覆盖但仅需要在一端处连接到询问器单元106，诸如在图1中示出的那样。也可以通过如在图4中示出的适合的电路401将电压差施加在第一电极和第二电极中的每个的一端处。因此，组合的光纤和电极可以从适合的控制室伸展，该控制室收容询问器单元106和电路401。

虽然本发明的实施例因此需要将相对高的电势差施加到在长度上为数百米甚至千米的导体，但是不需要运送显著的电流，并且因此能量需求是相对适度的。

清楚地，应该部署传感器以阻止意外的短路，并且电路401可具有电流限制电路以阻止汲取显著的电流。

电极和光纤可以被方便地形成线缆结构，该线缆结构支撑电极和光纤并且提供结构完整性和保护。在一个实施例中，如在图5中示出的那样，诸如在图2中示出的布置具有耦合到定位于适合的外夹套材料501之内的电极201和22的光纤104，可以以多孔材料502填充该外夹套材料。多孔材料502可以是具有准许气体进入的许多空处或间隙的结构。多孔材料应该一般是绝缘的，使得通过具有足够的孔来维持在电极之间的电势差，从而在存在电离辐射的情况下允许火花放电。

夹套材料应该优选地不阻碍其期望检测的电离辐射，并且因此在某些实例中，其可以是相对薄的和/或是多孔的，以允许诸如阿尔法粒子的辐射到达气体。

在另一实施例中，如在图6中示出的那样，第一电极和第二电极可被布置为至少部分地围绕彼此和/或至少部分地围绕光纤的基本弓形的导体。

图6示出了由管状的第一导体602围绕的光纤601，其二者都被第二管状导体603围绕。可以由保护性夹套材料604保护光纤601来免受火花放电。可以选择夹套材料来提供期望的热特性，即到光纤601的热量的传导，来最大化由纤维601检测的热签名。在第一和第二电极602和603之间的空间可以是很大程度上空的或者可以被填充以上文描述的多孔材料。在某些实施例中，在线缆结构之内的气体是密封于环境的。这允许使用不同于空气的气体和/或允许气体被加压。然而，在其他实施例中，存在例如从线缆机构的内部经由在第二电极603中的一个或多个孔606到外侧的流动路径。为了帮助维持结构完整性，可以存在一个或多个支撑结构607。

根据发明的该方面的辐射检测器如之前一样操作，到达气体的电离辐射可以导致电离事件，可以检测相关联的声学/热学信号。应该理解，围绕气隙的第二电极603的存在可以阻止某些辐射到达气体。因此该辐射检测器可以内在地仅检测在某一能量之上的电离辐射。然而，在其他实施例中，第二电极在多个位置中可以是多孔的，以提供针对辐射的进入窗口。

该结构可以包括至少一个外夹套层608，其可以保护传感器结构和/或其可以被布置为通过仅准许某些类型或能量的电离辐射通过来提供进一步的过滤。然而，此外，外夹套可以被提供以一个或多个孔609以准许空气流动和/或呈现针对辐射的进入窗口。

涂层材料可以沿着线缆结构的长度而变化，使得不同的位置对不同类型或能量的辐射敏感。涂层可以在具有纤维的感测部分的长度的数量级的区段中变化，使得不同的感测部分不同地响应。然而，在一个实施例中，气隙605可以被分成沿线缆结构的长度的一系列空腔，其中每个空腔的长度被调节以给出不同的谐振频率。然后，在空腔中的火花可以产生具有在空腔的谐振频率处的相对强的分量的声学信号。不同的涂层可以与不同的空腔一致地变化。

用于施加电势差的电路401也可以被布置为随时间调制施加的电势差。

响应于电离事件，电势差可被周期地关闭或者降低到低的电平，该低电平不足以产生带电粒子的级联。通过响应于电离辐射，周期地降低在第一电极和第二电极之间的电势差从而基本上停止任何激励，背景噪声可以被直接地确定并且用于归因于电离事件的声学信号的后续的标识。

也可以随时间调制在第一电极和第二电极之间的电势差从而确定关于存在的任何电离辐射的光谱信息。通过变化在电极之间的电势差，在级联放电发生之前需要的电离的量也变化。因此，通过变化电势差并监视归因于级联放电所的声学信号的数量，可以确定关于辐射的能量内容的信息。

上文描述的实施例将检测对相关气体进行直接电离的电离辐射。然而，在某些实施例中，所述检测器装置被布置为检测经由诸如在图7中示出的那样的次级电离的辐射。图7图示了适合于检测可能不引起气体的直接电离的中子的传感器。除了光纤104和第一和第二电极201和202之外，该装置还可以包括响应于中子吸收而放射电离辐射的中子吸收材料703。中子吸收材料被布置为紧接于在屏蔽材料701中的气隙702。气隙包含在电极之间的气体。屏蔽材料阻碍直接电离辐射但准许中子的通过。任何入射中子可以被中子吸收材料702，即诸如硼10的具有高的中子吸收截面的材料吸收，导致来自中子吸收材料的电离辐射的次级放射。该次级电离辐射能够引起气体的直接电离并且因此导致可以如先前描述的那样检测的火花。

为了说明本发明的实施例的原理，具有丙烯酸酯夹套材料的光纤被涂有银（使用银DAG涂层）以形成作为光纤的外层的第一电极（类似于在图6中图示的元件601、604和602）。纤维/电极组合然后被布置在空气中接近是铜导体的第二电极。5 kV的电势差被施加到第一电极和第二电极之间并且在电极之间的距离被设置为仅大于导致自发放电的分离的分离。换言之，电极被布置为使得围绕纤维的电场仅低于空气的击穿电压。在该实验性布置中，在电极之间的分离为3 mm左右。

Am 241的0.9μCi源被用于供应5.5 MeV的阿尔法辐射。当该源紧密地靠近接近纤维的强电场时，阿尔法粒子的电离轨迹足够触发放电。源的距离和角度被保留，使得放电率被保持为较低水平。

使用分布式声学感测询问器单元来询问光纤。DAS询问的单元以光辐射的单个脉冲重复地询问纤维并且检测从纤维之内Rayleigh反向散射的辐射，并且基于在后续的询问之间的强度变化生成测量信号。

图8示出了从暴露于电离辐射引入的火花放电得到的三分钟记录的光谱图。在记录中的第106秒和第165秒处，铜导体被带得过于接近纤维，导致连续的自发放电。因此在频率中被标记为801的尖峰是这样的连续放电的结果。

然而，可以看到在光谱图中存在若干其他尖峰，其中的至少某些尖峰被标记为802，其归因于辐射引入的放电。

因此可以看到，可以在从分布式声学传感器返回的信号中清楚地检测由辐射引入的带电粒子的级联创建的扰动。

图9a和9b图示了来自通常的火花放电的时间序列数据。这些图示了相对于时间从给定的感测通道检测的反向散射光的能量/强度，其中连续的样本是以2.5 kHz的采样率获得的。可以看到，在检测的反向散射的强度中存在具有回到基线的较缓慢的斜坡的可察觉的快速改变。

到最大值的一半的上升时间大约是10 ms，并且衰减时间常数大约是0.5秒。这些尖峰签名看起来主要源自于热输入，即快速受热到最大值，随后是缓慢衰减回到室温。大约10 ms的受热时段与针对瞬时能量脉冲的热膨胀到达光纤中心的可以预期的时段一致。热量将沿纤维传导，但这不应显著地改变信号的幅度，因为总扩张应该保持为大致相同（热扩张和温度的改变两者都与第一近似成线性关系）。

就冷却方面而言，热量将通过传导/对流以及通过辐射的损耗到空气中而被失去到周围。通过使用热源加热持续数百微秒并且观察随着纤维冷却随时间的频率改变，对涂层纤维进行测试。观察到数秒的冷却时段。因此，火花放电检测的时间序列与光纤归因于放电的受热和冷却一致。

因此可以看出，可以通过对定位于至少电极上的附近以及优选地耦合到至少电极上的光纤使用分布式声学感测技术来检测由电离辐射引起的在两个电极之间的放电。

已经参考各种实施例描述了本发明。除非明确地声明，否则所述的各种特征可被组合到一起并且可以在其他实施例中采用来自一个实施例的特征。

应该注意，上文提及的实施例说明了而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代实施例。词语“包括”不排除不同于在权利要求中所列出的那些的元素或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，并且单个特征或其他单元可以实现在权利要求书中记载的若干单元的功能。在权利要求书中的任何标号或标记不应该被解释为从而限制它们的范围。

Claims (39)

1.一种电离辐射检测器装置，其包括：适合于分布式光纤声学/振动感测的至少一个光纤，该光纤至少邻接与第二电极隔开的第一电极，其中所述第一电极和所述第二电极之间具有气体。

2.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，包括用于施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电势差的电路。

3.如权利要求2所述的电离辐射检测器装置，其中所施加的电势差足够高以使得气体的经电离的原子/分子的存在导致雪崩倍增。

4.如前述权利要求中的任一项所述的电离辐射检测器装置，包括在沿着所述光纤的长度的间隔处隔开的多个电极对，每个电极对包括第一电极和第二电极。

5.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和第二电极是延伸光纤的长度的至少一部分的细长电极。

6.如权利要求5所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和第二电极在长度上大于100 m。

7.如权利要求5所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和第二电极在长度上大于1 km。

8.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述光纤耦合至第一电极或第二电极中的至少一个。

9.如权利要求8所述的电离辐射检测器装置，其中所述光纤附接到所述第一电极。

10.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述光纤包括涂层或阻挡层以保护其免受在存在电离辐射的情况下发生的放电。

11.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述光纤包括涂层或阻挡层以保护其免受归因于电离辐射的损害。

12.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述光纤包括涂层或阻挡层以保护它，所述第一电极和/或所述第二电极被布置在具有所述光纤的线缆结构之内。

13.如权利要求12所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和所述第二电极在至少某些区段中被多孔材料分离以允许在电极之间的气体。

14.如权利要求12或13所述的电离辐射检测器装置，其中在所述第一电极和所述第二电极之间存在能够填充气体的至少一个空处。

15.如权利要求14所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和所述第二电极伸展通过在使用中包含气体的一系列空腔。

16.如权利要求15所述的电离辐射检测器装置，其中空腔被布置为具有导致特定谐振频率的尺寸。

17.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括导线。

18.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中至少一个电极包括具有弓形截面的导体。

19.如权利要求18所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极被形成为管。

20.如权利要求19所述的电离辐射检测器装置，其中所述第二电极被布置为至少部分地围绕所述光纤。

21.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中分离所述第一电极和所述第二电极的气体是空气。

22.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述第一电极和所述第二电极被布置在密封环境之内。

23.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，包括在分离所述第一电极和所述第二电极的所述气体与电离辐射的入射方向之间的至少一个阻挡层。

24.如权利要求23所述的电离辐射检测器装置，其中所述阻挡层具有被调节以过滤特定类型的电离辐射的特性。

25.如权利要求24所述的电离辐射检测器装置，其中所述阻挡层沿着所述电极和所述光纤的长度而变化。

26.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述检测器装置被配置成检测经由次级电离的辐射。

27.如权利要求26所述的辐射检测器装置，包括通过放射电离辐射来响应于入射辐射的材料。

28.如权利要求27所述的电离辐射检测器装置，包括响应于中子吸收而放射电离辐射的中子吸收材料。

29.如权利要求28所述的电离辐射检测器装置，包括基本上阻断或衰减其他形式的电离辐射的在所述辐射检测器装置的至少一部分上的屏蔽层。

30.如权利要求1所述的电离辐射检测器装置，其中所述光纤耦合到所述电极中的至少一个从而允许从电极到所述光纤的有效的热量转移。

31.一种电离辐射检测器，包括前述任一项权利要求所述的装置、耦合到所述光纤用于对所述光纤执行分布式声学感测的询问器单元以及用于将电势差施加到所述第一电极和所述第二电极的电路。

32.如权利要求31所述的电离辐射检测器，其中所述询问器单元被配置成发起到所述光纤中的询问光辐射并且被配置成检测从所述光纤之内反向散射的光辐射。

33.如权利要求32所述的电离辐射检测器，其中所述询问器单元被配置成处理所检测的反向散射的辐射以产生针对光纤的多个感测部分中的每个的测量信号，所述测量信号指示由所述感测部分检测的信号。

34.如权利要求33所述的电离辐射检测器，包括用于处理所述测量信号以检测与电离事件相关联的信号的处理器。

35.如权利要求31-34中的任一项所述的电离辐射检测器，其中用于将所述电势差施加到所述第一电极和所述第二电极的电路被配置成随时间调制所施加的电势差。

36.如权利要求35所述的电离辐射检测器，其中响应于电离事件，所述电势差被周期性地关闭或降低到低电平，该低电平不足以引起带电粒子级联。

37.如权利要求35所述的电离辐射检测器，其中随时间调制所述第一电极和所述第二电极之间的电势差从而确定关于存在的任何电离辐射的光谱信息。

38.一种电离辐射检测方法，包括：将电势差施加于在气体中彼此分离的第一电极和第二电极之间，其中所述电势差是足够的，使得所述气体的电离引起在电极之间的带电粒子级联，以及询问被部署邻接于所述第一电极和/或所述第二电极的光纤以提供分布式声学传感器；以及针对与带电粒子级联相关联的信号监视所述分布式声学传感器。

39.一种分布式电离辐射检测器，其包括彼此隔开的第一细长电极和第二细长电极以及分布式声学传感器，该分布式声学传感器包括沿着所述第一细长电极和所述第二细长电极的路径部署的感测光纤以便检测由两个电极之间的火花生成的声学信号以检测电离辐射。