CN105652431A - 一种抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：用于固定光路结构的防护框架以竖向通道和连通在竖向通道底部的水平通道构成“L”形光路通道，设置在竖向通道上的上部左侧开口作为光路通道入口，设置在竖向通道上的下部右侧开口作为水平通道光路入口；防护框架的外表设置以铅浇铸成型的防辐射保护层；在“L”形光路通道中，由第一平面反射镜和第二平面反射镜形成与入射光平行的出射光C；抗辐射成像镜头5的光轴与出射光C重合，在抗辐射成像镜头与CCD相机之间，以抗辐射光纤传像束进行信号传输。本发明在强辐射环境下的工作中，其成像元件和成像设备能够保持长时间稳定的工作。

Description

一种抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构
技术领域
本发明涉及一种抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，尤其适用于强辐射环境下的观测与图像采集，属于核科学与技术领域。
背景技术
核电是一种清洁能源，其安全性至关重要，一旦发生泄漏，所释放出极强的放射性物质威胁着工作人员的人身安全，因此，必须依靠观测设备来维持正常持久监视涉核目标的任务。在核辐射源照射的情况下，裸露在射线下的摄像监视仪器都会由于元器件的电离辐射效应和位移辐射效应而受到损伤，导致视频信号严重变形或无信号，无法正常工作，并随之产生设备永久性损坏。针对这一问题常用的解决方法有两种：一是使用抗辐射的成像设备；二是对成像设备进行保护。目前，抗辐射的成像设备都是采用对电荷耦合器件进行抗辐射加固，这种方法涉及精密电子元器件加工，其条件苛刻、成本高，而且防护效果不稳定。而对成像设备进行保护的方法，通常采用浇铸铅层来实现，铅层的薄厚取决于辐射的强弱，但是这一做法通常导致整个装置体积增大，重量增加，携带不便。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，以期在强辐射环境下的工作中，成像元件和成像设备能够保持长时间稳定的工作。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：
设置用于固定光路结构的防护框架，所述防护框架是以竖向通道和连通在竖向通道底部的水平通道构成“L”形光路通道，在所述竖向通道的左侧壁上、位于所述竖向通道的上部设置有上部左侧开口，以所述上部左侧开口作为光路通道的光路入口；在所述竖向通道的右侧壁上、位于竖向通道的下部设置有下部右侧开口，以所述下部右侧开口作为所述水平通道的光路入口；
所述防护框架为钢结构框架，在所述防护框架的外表设置以铅浇铸成型的防辐射保护层；
在所述竖向通道中，处在所述光路通道入口位置设置与水平面呈45°夹角的第一平面反射镜，呈水平入射的输入光A在所述第一平面反射镜上形成竖直向下的第一反射光B，在所述竖向通道中，处在所述第一平面反射镜的下方设置与所述第一平面反射镜相互平行的第二平面反射镜，所述第一反射光B在所述第二平面反射镜上形成朝向水平通道内的水平出射光C；
在所述水平通道的尾端，处在所述水平出射光C的光轴位置上设置抗辐射成像镜头，使得自光路入口入射的高能射线在水平通道中形成的高能射线覆盖区域是处在抗辐射成像镜头的前方；所述抗辐射成像镜头的前方是指朝向光路入口一侧的方向；固定设置在所述水平通道中的CCD相机位于所述抗辐射成像镜头的后方，在所述抗辐射成像镜头与CCD相机之间，以抗辐射光纤传像束进行信号传输。
本发明抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：
所述抗辐射成像镜头的结构形式是：沿着所述水平出射光C的光轴方向，自抗辐射成像镜头的入射一侧起，依次设置第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片；在所述抗辐射成像镜头的成像面上设置光纤传像束入孔，所述抗辐射光纤传像束接入在所述光纤传像束入孔中。
本发明抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：
所述第一镜片，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为-3.9mm、背向入射一侧的镜面曲率半径为-3.4mm，沿光轴的中心厚度为4mm；
所述第二镜片，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为-3.4mm、背向入射一侧的镜面曲率半径为-4.78mm、沿光轴的中心厚度为2.8mm；第二镜片与第一镜片之间的中心距为3.7mm；
所述第三镜片，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为9mm，背向入射一侧的镜面曲率半径为-15.1mm、沿光轴的中心厚度为2mm；第三镜片与第二镜片之间的中心距为3.4mm；
所述第四镜片，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为3.4mm，背向入射一侧的镜面曲率半径为5.3mm、沿光轴的中心厚度为3.2mm；第四镜片与第三镜片之间的中心距为3.7mm；所述第四镜面的中心与光纤入孔的距离为1mm。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明可用于实现强辐射环境下的观测与图像采集，经试验，在辐射总剂量达到100056.13Gy(Si)时，本发明光路结构仍然可以正常工作，没有损坏。
2、本发明通过抗辐射与防辐射相结合的光路设计，使得探测器在多一层保护的同时，可以保持长时间正常稳定的工作。
3、本发明通过光路设计以达到保护CCD相机的目的，相比完全依靠防护的方法，能够有效减轻防护重量，方便携带。
4、本发明的具体应用经试验证明，其防护能力强、防护效果好，能适应于对于具有强核辐射特征的目标体的事故前后的监视和记录。
附图说明
图1为本发明光路结构示意图；
图2为本发明中抗辐射成像镜头的光路结构示意图；
图3为本发明中高能射线覆盖区域示意图；
图中标号：1防护框架，2防辐射保护层，3第一平面反射镜，4第二平面反射镜，5抗辐射成像镜头，6光纤传像束入孔，7抗辐射光纤传像束，8为CCD相机，9第一镜片，10第二镜片，11第三镜片，12第四镜片，13上边缘线条，14下边缘线条。
具体实施方式
参见图1，本实施例中抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构是：
设置用于固定光路结构的防护框架1，防护框架1是以竖向通道和连通在竖向通道底部的水平通道构成“L”形光路通道，在所述竖向通道的左侧壁上、位于所述竖向通道的上部设置有上部左侧开口，以所述上部左侧开口作为光路通道的光路入口；在所述竖向通道的右侧壁上、位于竖向通道的下部设置有下部右侧开口，以所述下部右侧开口作为所述水平通道的光路入口。
防护框架1为钢结构框架，在防护框架1的外表设置以铅浇铸成型的防辐射保护层2；
在竖向通道中，处在光路通道入口位置设置与水平面呈45°夹角的第一平面反射镜3，呈水平入射的输入光A在第一平面反射镜3上形成竖直向下的第一反射光B，在竖向通道中，处在第一平面反射镜3的下方设置与第一平面反射镜3相互平行的第二平面反射镜4，第一反射光B在第二平面反射镜4上形成朝向水平通道内的水平出射光C，使得输入光A经两次反射后与出射光C平行。
在水平通道的尾端，处在水平出射光C的光轴位置上设置抗辐射成像镜头5，使得自光路入口入射的高能射线在水平通道中形成的高能射线覆盖区域是处在抗辐射成像镜头5的前方；抗辐射成像镜头5的前方是指朝向光路入口一侧的方向；固定设置在水平通道中的CCD相机8位于抗辐射成像镜头5的后方，在抗辐射成像镜头5与CCD相机8之间，以抗辐射光纤传像束7进行信号传输。
本实施例中，如图1和图2所示，抗辐射成像镜头5的光轴与出射光C的光轴重合，抗辐射成像镜头5的结构形式是：沿着水平出射光C的光轴方向，自抗辐射成像镜头5的入射一侧起，依次设置第一镜片9、第二镜片10、第三镜片11和第四镜片12，第一镜片9、第二镜片10、第三镜片11和第四镜片12均为抗辐射镜片，在抗辐射成像镜头5的成像面上设置光纤传像束入孔6，光纤传像束入孔6的中心位于抗辐射成像镜头5的光轴上，抗辐射光纤传像束7接入在光纤传像束入孔6中，抗辐射光纤传像束7的另一端与CCD相机8相连，所获得的图像经过抗辐射光纤传像束7到达CCD相机8。
图2中所示的第一镜片9，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为-3.9mm、背向入射一侧的镜面曲率半径为-3.4mm，沿光轴的中心厚度为4mm；第二镜片10，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为-3.4mm、背向入射一侧的镜面曲率半径为-4.78mm、沿光轴的中心厚度为2.8mm；第二镜片10与第一镜片9之间的中心距为3.7mm；第三镜片11，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为9mm，背向入射一侧的镜面曲率半径为-15.1mm、沿光轴的中心厚度为2mm；第三镜片11与第二镜片10之间的中心距为3.4mm；第四镜片12，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为3.4mm，背向入射一侧的镜面曲率半径为5.3mm、沿光轴的中心厚度为3.2mm；第四镜片12与第三镜片11之间的中心距为3.7mm；第四镜面12的中心与光纤入孔的距离为1mm。
本实施例考虑到核环境的应用需求，镜头材料需要具体选择具有耐辐射性能的光学玻璃，在辐射环境下可以保持稳定的光学性能。由于核环境下的光学镜头不能使用增透膜来提高入射光能，而每片镜片表面的光能反射损失大概为4％，因此，光学成像系统最多使用四片镜片构成。根据实际观测使用要求，计算出光学系统的初始结构参数，经过光学设计软件进行像差分析和结构参数优化，获得本实施例中优化的镜头结构参数，包括朝向入射一侧的镜面曲率半径、背向入射一侧的镜面曲率半径、沿光轴的中心厚度，以及相邻之间的中心距等。
具体实施中，防护框架1为钢结构的固定架，防辐射保护层2采用铅层浇铸，第一平面反射镜3和第二平面反射镜4的基底材质为K9光学玻璃，表面镀铝。抗辐射光纤传像束7为上海滕仓(中国)有限公司出品、产品型号为FIGR-30，CCD相机8采用德国Basler工业相机，产品型号为acA1600-30gm/gc；第一镜片9、第二镜片10、第三镜片11和第四镜片12均采用成都光明光电公司出品的玻璃产品，其中，第一镜片9和第四镜片12是以耐辐射火石玻璃F503为材质，第二镜片10和第三镜片11是以耐辐射冕玻璃K509为材质。普通光学玻璃在辐射环境下很快会形成色心，透过率快速下降，影响成像质量。耐辐射玻璃是在普通光学玻璃材料配方基础上，通过增加二氧化铈CeO2或者其它氧化物熔制而成，通过控制其中氧化物的含量来实现玻璃的耐辐射性能。耐辐射玻璃与对应的普通光学玻璃具有相同的光学常数。
经实验，本发明抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构分别以61.2Gy(Si)/h、559.8Gy(Si)/h、1009.8Gy(Si)/h、2135.4Gy(Si)/h、4070.4Gy(Si)/h的辐射剂量率进行抗辐射实验，辐照时间累计20小时，总剂量达到18421.13Gy(Si)，成像元件和成像设备仍然能够正常工作，没有被损坏。
核辐射的主要成分是α、β、γ三种高能射线，其中，属γ射线的穿透本领最强，能够穿透人体和建筑物，危害较大。当高能射线碰到像平面反射镜等具有反光特性的器件时，只会穿过该器件或者被该器件阻挡无法穿过，不会像光线一样发生反射或者折射，因此，在装置开口处设置一块平面反射镜，可以阻挡来自水平方向的高能射线从开口处反射进入装置竖向通道内，而入射光却可以通过反射进入装置的竖向通道中，因此，在装置开口处设置一块平面反射镜的结构形式能够防止水平方向的高能射线进入竖向通道内；第二平面反射镜的设置，可以使入射光继续反射进入水平通道内，使光学系统可以正常成像。
如图3所示，针对装置开口处呈倾斜入的高能射线，其中从左下方射入的高能射线直接被装置外部的铅保护层阻挡住；从左上方射入高能射线，经过装置开口射入水平通道中，在水平通道中形成一定范围的高能射线覆盖的区域，在图3中，下边缘线条14是经光路入口的最低点s点进入装置的高能射线中能够到达装置水平通道中最远位置k点处的高能射线，上边缘线条13是经过光路入口的上顶点p点能够到达装置水平通道中最远位置的高能射线，n点为竖向通道的左下转角，m点为竖直通道与水平通道的相交位置，依次连接p点、s点、n点、k点和m点构成的五边形，五边形内的区域即为装置中高能射线覆盖的整个区域，其类似“潜望镜”的成像结构可以有效阻挡高能射线直接照射到CCD相机，起到保护作用。

Claims (3)

1.抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：
设置用于固定光路结构的防护框架(1)，所述防护框架(1)是以竖向通道和连通在竖向通道底部的水平通道构成“L”形光路通道；在所述竖向通道的左侧壁上、位于所述竖向通道的上部设置有上部左侧开口，以所述上部左侧开口作为光路通道的光路入口；在所述竖向通道的右侧壁上、位于竖向通道的下部设置有下部右侧开口，以所述下部右侧开口作为所述水平通道的光路入口；
所述防护框架(1)为钢结构框架，在所述防护框架(1)的外表设置以铅浇铸成型的防辐射保护层(2)；
在所述竖向通道中，处在所述光路通道入口位置设置与水平面呈45°夹角的第一平面反射镜(3)，呈水平入射的输入光A在所述第一平面反射镜(3)上形成竖直向下的第一反射光B，在所述竖向通道中，处在所述第一平面反射镜(3)的下方设置与所述第一平面反射镜(3)相互平行的第二平面反射镜(4)，所述第一反射光B在所述第二平面反射镜(4)上形成朝向水平通道内的水平出射光C；
在所述水平通道的尾端，处在所述水平出射光C的光轴位置上设置抗辐射成像镜头(5)，使得自光路入口入射的高能射线在水平通道中形成的高能射线覆盖区域是处在抗辐射成像镜头(5)的前方；所述抗辐射成像镜头(5)的前方是指朝向光路入口一侧的方向；固定设置在所述水平通道中的CCD相机(8)位于所述抗辐射成像镜头(5)的后方，在所述抗辐射成像镜头(5)与CCD相机(8)之间，以抗辐射光纤传像束(7)进行信号传输。
2.根据权利要求1所述的抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：
所述抗辐射成像镜头(5)的结构形式是：沿着所述水平出射光C的光轴方向，自抗辐射成像镜头(5)的入射一侧起，依次设置第一镜片(9)、第二镜片(10)、第三镜片(11)和第四镜片(12)；在所述抗辐射成像镜头(5)的成像面上设置光纤传像束入孔(6)，所述抗辐射光纤传像束(7)接入在所述光纤传像束入孔(6)中。
3.根据权利要求2所述的抗辐射与防辐射相结合的潜望镜式光路结构，其特征是：
所述第一镜片(9)，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为-3.9mm、背向入射一侧的镜面曲率半径为-3.4mm，沿光轴的中心厚度为4mm；
所述第二镜片(10)，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为-3.4mm、背向入射一侧的镜面曲率半径为-4.78mm、沿光轴的中心厚度为2.8mm；第二镜片(10)与第一镜片(9)之间的中心距为3.7mm；
所述第三镜片(11)，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为9mm，背向入射一侧的镜面曲率半径为-15.1mm、沿光轴的中心厚度为2mm；第三镜片(11)与第二镜片(10)之间的中心距为3.4mm；
所述第四镜片(12)，其朝向入射一侧的镜面曲率半径为3.4mm，背向入射一侧的镜面曲率半径为5.3mm、沿光轴的中心厚度为3.2mm；第四镜片(12)与第三镜片(11)之间的中心距为3.7mm；所述第四镜面(12)的中心与光纤入孔的距离为1mm。
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