CN107631796B - 一种光纤辐照监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤辐照监测装置及监测方法，该装置包括：辐照光纤、宽带光谱光源、辐照漂白激光光源、光纤时域反射仪和合束器。宽带光谱光源用于采集辐照光纤辐照后及光漂白后的吸收损耗光谱，通过分析辐照前后光谱谱型和强度的变化来测量辐照光纤所受的总剂量和剂量率；辐照漂白激光光源用于漂白辐照后的辐照光纤；光纤时域反射仪用于监控核辐射泄露位置以及光纤的背景损耗。通过宽带光谱光源反馈的损耗光谱来调节辐照漂白光源的波长以及功率，对辐照光纤进行光漂白，消除辐致缺陷，降低辐致损耗，避免光纤辐照饱和，实现辐照光纤使用寿命的大幅度延长以及更换频率的降低。
Description
技术领域
本发明属于核辐射监测技术领域，更具体地，涉及一种光纤辐照监测装置及监测方法，用于射线辐照剂量和剂量率的测量。
背景技术
核探测技术经历了半个世纪的发展，由气体探测器、闪烁体探测器发展到半导体探测器，它们已经成为了商用核监测的主力军。这些对γ射线敏感的介质都是将辐照信号转换为电信号，再对电信号进行处理分析。上述方面的缺陷是探测系统中的电子器件对辐照环境和外界电磁环境极其敏感，需要加装硕大的屏蔽装置来降低高能射线和电磁场对其影响。
为了克服电子器件和电信号对环境的高敏感性，且随着低损耗光纤的研制成功，光纤材料作为辐照探测材料得到了发展和初步应用。光纤材料主要由石英玻璃组成，其中可掺杂P、Ge、稀土粒子等元素来调节光纤折射率和光纤发光特性，同时也提高光纤对高能射线的敏感度。在辐照环境中，光纤中会形成很多缺陷，这些缺陷导致光纤的传输损耗增加，产生辐致损耗(Radiation Induce Attenuation，RIA)效应。基于这种RIA效应，可以探测高敏光纤所吸收的辐照总剂量以及所受到的剂量率。相对于传统核探测方法，光纤辐射探测有几下优点：1、光纤损耗小，可远程探测。光纤损耗<0.18dB/km，可以把监测站设置到距离探测点数十甚至数百公里，保证监测站安全监测；2、光纤探测器采用全光信号，不易受到电磁辐射的干扰，也不会受到电力中断的影响；3、光纤物理化学性能稳定，光纤做成光缆，可以铺设地上使用20年，具有很好的耐压、耐温等性能；4、光纤材料密度小，且弯曲半径小，可做成轻便的辐照探测器。
然而，光纤核辐射探测虽然发展多年，在实际应用中却没有得到广泛的推广，其中一个重要的原因是因为光纤辐照饱和剂量小，不适合大剂量辐照探测。对于高辐照敏感光纤(0.01Gy/h)其辐照饱和剂量只有10Gy左右，因此它的有效监测时间最长约1000小时，这就导致光纤核辐照探测装置需要经常更换高敏光纤，极大增加了系统更换成本。即使对于高饱和剂量辐照光纤(目前报道最高的饱和辐照剂量为1200Gy，敏感度>>0.01Gy/h)也不能满足超长工作时间的要求。
因此，要实现光纤辐照监测系统的长时间有效工作和低更换成本，γ射线导致的辐照光纤内的传输损耗要要远离饱和状态。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤辐照监测装置及监测方法，由此解决目前高辐照敏感辐照光纤寿命过短的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤辐照监测装置，包括：辐照漂白激光光源1，功率计5，光纤时域反射仪3，宽带光谱光源4，高精度光谱仪8，辐照光纤7、正向合束器6以及反向合束器2；
其中，所述辐照漂白激光光源1的输出光纤与所述反向合束器2的输入端熔接；所述反向合束器2分别与所述功率计5以及所述正向合束器6通过光纤熔接实现连接；所述宽带光谱光源4的输出光纤与所述正向合束器6的泵浦端熔接；所述光纤时域反射仪3的尾纤输出为单模光纤，并与所述正向合束器6的种子端熔接；所述正向合束器6的输出端与所述辐照光纤7熔接；所述辐照光纤7与所述高精度光谱仪8跳线熔接；
所述宽带光谱光源4通过所述正向合束器6将宽带光注入到所述辐照光纤7中，所述高精度光谱仪8采集经过所述辐照光纤7后的光谱，所述光纤时域反射仪3监控核辐射泄露位置以及所述辐照光纤7的背景损耗；当所述辐照光纤7受到射线辐照时，所述辐照漂白激光光源1工作，通过所述反向合束器2，一部分漂白光进入所述辐照光纤7，一部分被所述功率计5采集用来监控所述辐照漂白激光光源1的功率输出。
优选的，所述辐照光纤7为双包层石英光纤，内涂层折射率为1.37，外涂层折射率为1.56，纤芯直径为6μm-10μm，内包层直径为125μm-130μm，纤芯掺杂Ge，P和稀土元素离子。
优选的，所述反向合束器2具体为1*2反向合束器，具有一个输入端和两个输出端。
优选的，所述正向合束器6具体为(2+1)*1的正向合束器，具有两个泵浦臂，一个种子端和一个输出端。
优选的，所述辐照漂白激光光源1为多个中心波长位于300nm-808nm的半导体激光器，每个半导体激光器带宽小于3nm，功率大于500mW。
优选的，所述宽带光谱光源4为光子晶体光纤输出的宽带激光，光谱范围为300nm-2400nm，整个光谱平坦度小于10dB，稳定工作时间大于6000h。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述第一方面所述的监测装置的监测方法，包括：
(1)启动宽带光谱光源和高精度光谱仪，由高精度光谱仪持续扫描并采集从辐照光纤中出射的激光光谱，对辐照光纤的透射光谱进行监测；
(2)由光纤时域反射仪采集辐照光纤中的背景损耗以及损耗的位置信息，对辐照光纤的损耗谱进行监测；
(3)启动辐照漂白激光光源，根据步骤(1)的透射光谱的偏移量和步骤(2)测量的背景损耗信息来调节辐照漂白激光光源的出射功率，并采用功率计采集辐照漂白激光光源的出射功率；
(4)高精度光谱仪采集从被漂白的辐照光纤中出射的激光光谱，并根据采集的激光光谱的谱型来调节辐照漂白激光光源的驱动电源的电流大小；
(5)重复步骤(3)～步骤(4)，使得被辐照光纤透过的光谱得到恢复；
(6)辐照漂白激光光源停止工作，并重复步骤(1)～步骤(2)，验证辐照光纤是否得到漂白恢复。
优选地，所述方法还包括：由得到辐照光纤所吸收的辐照总剂量，由得到辐照光纤所受到的剂量率，其中，αr表示辐照后的吸收系数，αp表示原始吸收系数，η为经验参数，且与光纤系能参数有关，T为辐照时间，λ1表示辐致吸收的最小波长，λ2表示辐致吸收的最大波长。
优选地，所述方法还包括：根据漂白后的各个波长吸收系数的变化，由得到漂白后辐照光纤透过性能恢复的百分比，其中，C为透过率恢复百分比，ξ为经验参数，且与光纤系能参数有关，αb表示漂白后的吸收系数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：通过宽带光谱光源反馈的损耗光谱来调节辐照漂白光源的波长以及功率，对辐照光纤进行光漂白，消除辐致缺陷，降低辐致损耗，避免光纤辐照饱和，实现辐照光纤使用寿命的大幅度延长以及更换频率的降低；在辐射场中辐照信号只转换为在光纤中传输的光信号，不会受外界电磁场影响；系统中的电子设备处在无辐射的监测站，摆脱了辐照环境对电子器件的不利影响。
附图说明
图1是本发明实例提供的一种基于光漂白的光纤辐照监测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种光纤辐照监测装置的应用示意图；
图3是受到总剂量500Gy辐照后及漂白后掺铥石英光纤光谱吸收谱；
图4是受到总剂量50Gy-675Gy辐照后及漂白后掺铥石英光纤吸收光谱；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为辐照漂白激光光源，2为反向合束器，3为光纤时域反射仪，4为宽带光谱光源，5为功率计，6为正向合束器，7为辐照光纤，8为高精度光谱仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种用于射线辐照剂量和剂量率测量的全光纤结构辐照监测装置及监测方法，具体的说是具有漂白功能可高频率重复使用的光纤监测装置和监测方法，可以用于射线(如γ射线)辐照剂量和剂量率的测量。通过本发明可以延长光纤辐照探测装置工作时间，降低辐照光纤的更换成本。
为实现上述目的，本发明所采用的光纤辐照监测装置包括：辐照漂白激光光源1，功率计5，光纤时域反射仪3，宽带光谱光源4，高精度光谱仪8，辐照光纤7、正向合束器6以及反向合束器2；
其中，监测装置中所有的器件都是通过光纤熔接来实现连接，构成了全光纤结构，具体地，辐照漂白激光光源1的输出光纤与反向合束器2的输入端熔接；反向合束器2分别与功率计5以及正向合束器6通过光纤熔接实现连接；宽带光谱光源4的输出光纤与正向合束器6的泵浦端熔接；光纤时域反射仪3的尾纤输出为单模光纤，并与正向合束器6的种子端熔接；正向合束器6的输出端与辐照光纤7熔接；辐照光纤7与高精度光谱仪8跳线熔接；
宽带光谱光源4通过正向合束器6将宽带光注入到辐照光纤7中，高精度光谱仪8采集经过辐照光纤7后的光谱，光纤时域反射仪3监控核辐射泄露位置以及辐照光纤7的背景损耗；当辐照光纤7受到射线辐照时，辐照漂白激光光源1工作，通过反向合束器2，一部分漂白光进入辐照光纤7，一部分被功率计5采集用来监控辐照漂白激光光源1的功率输出。
在一个可选的实施方式中，辐照光纤7为双包层石英光纤，内涂层折射率为1.37，外涂层折射率为1.56，纤芯直径为6μm-10μm，内包层直径为125μm-130μm，纤芯掺杂敏化剂，比如磷离子、锗离子、原子序数为57-71的稀土离子等离子。
在一个可选的实施方式中，反向合束器2具体为1*2反向合束器，具有一个输入端和两个输出端；
其中，由于辐照漂白激光光源1的输出光纤与1*2反向合束器2的输入端熔接，则输出光纤和反向合束器2的泵浦臂光纤类型相同，由于反向合束器2的一个输出与功率计5相连，另一个输出端和正向合束器6的一个泵浦臂熔接，则要求两个尾纤寸尺要匹配。
在一个可选的实施方式中，正向合束器6具体为(2+1)*1的正向合束器，具有两个泵浦臂，一个种子端和一个输出端。
其中，由于宽带光谱光源4的输出光纤与(2+1)*1正向合束器的泵浦臂相熔接，则要求输出光纤和合束器的泵浦臂光纤类型相同；由于正向合束器6的输出端和辐照光纤7熔接，则正向合束器6的输出尾纤和辐照光纤7模场匹配。
在一个可选的实施方式中，辐照漂白激光光源1为多个中心波长位于300nm-808nm的半导体激光器，每个半导体激光器带宽小于3nm，功率大于500mW。
在一个可选的实施方式中，宽带光谱光源4为光子晶体光纤输出的宽带激光，光谱范围为300nm-2400nm，整个光谱平坦度小于10dB，稳定工作时间大于6000h。
在本发明的另一方面，提供了一种基于上述辐照监测装置的监测方法，包括：
(1)启动宽带光谱光源和高精度光谱仪，由高精度光谱仪持续扫描并采集从辐照光纤中出射的激光光谱，对辐照光纤的透射光谱进行监测；
(2)由光纤时域反射仪采集辐照光纤中的背景损耗以及损耗的位置信息，对辐照光纤的损耗谱进行监测；
(3)启动辐照漂白激光光源，根据步骤(1)的透射光谱的偏移量和步骤(2)测量的背景损耗信息来调节辐照漂白激光光源的出射功率，并采用功率计采集辐照漂白激光光源的出射功率；
(4)高精度光谱仪采集从被漂白的辐照光纤中出射的激光光谱，并根据采集的激光光谱的谱型来调节辐照漂白激光光源的驱动电源的电流大小；
(5)重复步骤(3)～步骤(4)，使得被辐照光纤透过的光谱得到恢复；
(6)辐照漂白激光光源停止工作，并重复步骤(1)～步骤(2)，验证辐照光纤是否得到漂白恢复。
在一个可选的实施方式中，上述方法还包括：由得到辐照光纤所吸收的辐照总剂量，由得到辐照光纤所受到的剂量率，其中，αr表示辐照后的吸收系数，αp表示原始吸收系数，η为经验参数，且与光纤系能参数有关，T为辐照时间，λ1表示辐致吸收的最小波长，λ2表示辐致吸收的最大波长。
在一个可选的实施方式中，上述方法还包括：根据漂白后的各个波长吸收系数的变化，由得到漂白后辐照光纤透过性能恢复的百分比，其中，C为透过率恢复百分比，ξ为经验参数，且与光纤系能参数有关，αb表示漂白后吸收系数。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
作为具体的实施例，图1为本发明实施例提供的一种光纤辐照监测装置示意图，宽带光谱光源4通过正向合束器6将宽带光注入到辐照光纤7中，高精度光谱仪8采集经过辐照光纤7后的光谱，光纤时域反射仪3监控整个系统的背景损耗；当辐照光纤受到γ射线辐照时，高精度光谱仪8所采集的光谱会发生变化，此时打开辐照漂白激光光源1，通过反向合束器2，大部分漂白光进入辐照光纤7，一部分被功率计5采集来监控漂白激光光源1的功率输出。
图2为光纤辐照监测装置在实际应用中的情形，辐照光纤7处在辐照环境9中，其余器件均放置在安全距离意外的监测站10中。
图3中辐照光纤7采用掺铥石英光纤，辐照漂白激光光源1采用中心波长为793nm的半导体激光器。图3给出了采用本发明的光纤辐照监测装置进行漂白后的吸收光谱图，从图3中可以看出光纤受到辐照后，在可见光波段及近红外波段(600nm-900nm)的吸收损耗明显增大，在受到漂白光源的作用下，其吸收损耗降低，吸收系数趋于原始状态。
实例一
采用本发明所述的装置进行辐照监测及辐照光纤漂白的使用说明如下：
如图4辐照光纤7采用纤芯直径为10μm，内包层直径为130μm的双包层掺铥石英光纤，分别受到五种不同剂量(50Gy、185Gy、325Gy、500Gy和675Gy)的γ射线辐照，其剂量率相同。辐照漂白激光光源1的中心波长为793nm的半导体激光器，功率为23.6W。经过γ射线辐照后，如图4，受到辐照后的光纤在可见光波段有明显的附加损耗吸收(600nm～800nm)，且延伸到近红外波段，波长越长，附加损耗越不明显。光纤受到的剂量越大，这个附加损耗就越大。经过对光谱的变化进行分析，计算出掺铥石英光纤受到的剂量分别为48Gy、190.8Gy、290Gy、512.3Gy和691Gy，剂量率为245.6Gy/h。经过793nm泵浦光漂白后光纤吸收系数得到逐渐的恢复，且恢复程度和所受的总剂量成正相关，根据光谱采集的数据进行分析，可计算出辐照后的光纤经过漂白作用后其透过性能可分别恢复到原始值的99％、94％、89％、80％和75％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光纤辐照监测装置，其特征在于，包括：辐照漂白激光光源(1)，功率计(5)，光纤时域反射仪(3)，宽带光谱光源(4)，高精度光谱仪(8)，辐照光纤(7)、正向合束器(6)以及反向合束器(2)；
其中，所述辐照漂白激光光源(1)的输出光纤与所述反向合束器(2)的输入端熔接；所述反向合束器(2)分别与所述功率计(5)以及所述正向合束器(6)通过光纤熔接实现连接；所述宽带光谱光源(4)的输出光纤与所述正向合束器(6)的泵浦端熔接；所述光纤时域反射仪(3)的尾纤输出为单模光纤，并与所述正向合束器(6)的种子端熔接；所述正向合束器(6)的输出端与所述辐照光纤(7)熔接；所述辐照光纤(7)与所述高精度光谱仪(8)跳线熔接；
所述宽带光谱光源(4)通过所述正向合束器(6)将宽带光注入到所述辐照光纤(7)中，所述高精度光谱仪(8)采集经过所述辐照光纤(7)后的光谱，所述光纤时域反射仪(3)监控核辐射泄露位置以及所述辐照光纤(7)的背景损耗；当所述辐照光纤(7)受到射线辐照时，所述辐照漂白激光光源(1)工作，通过所述反向合束器(2)，一部分漂白光进入所述辐照光纤(7)，一部分被所述功率计(5)采集用来监控所述辐照漂白激光光源(1)的功率输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐照光纤(7)为双包层石英光纤，内涂层折射率为1.37，外涂层折射率为1.56，纤芯直径为6μm-10μm，内包层直径为125μm-130μm，纤芯掺杂Ge，P和稀土元素离子。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反向合束器(2)具体为1*2反向合束器，具有一个输入端和两个输出端。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的装置，其特征在于，所述正向合束器(6)具体为(2+1)*1的正向合束器，具有两个泵浦臂，一个种子端和一个输出端。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述辐照漂白激光光源(1)为多个中心波长位于300nm-808nm的半导体激光器，每个半导体激光器带宽小于3nm，功率大于500mW。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述宽带光谱光源(4)为光子晶体光纤输出的宽带激光，光谱范围为300nm-2400nm，整个光谱平坦度小于10dB，稳定工作时间大于6000h。
7.一种基于权利要求1至6任意一项所述的监测装置的监测方法，其特征在于，包括：
(1)启动宽带光谱光源和高精度光谱仪，由高精度光谱仪持续扫描并采集从辐照光纤中出射的激光光谱，对辐照光纤的透射光谱进行监测；
(2)由光纤时域反射仪采集辐照光纤中的背景损耗以及损耗的位置信息，对辐照光纤的损耗谱进行监测；
(3)启动辐照漂白激光光源，根据步骤(1)的透射光谱的偏移量和步骤(2)测量的背景损耗信息来调节辐照漂白激光光源的出射功率，并采用功率计采集辐照漂白激光光源的出射功率；
(4)高精度光谱仪采集从被漂白的辐照光纤中出射的激光光谱，并根据采集的激光光谱的谱型来调节辐照漂白激光光源的驱动电源的电流大小；
(5)重复步骤(3)～步骤(4)，使得被辐照光纤透过的光谱得到恢复；
(6)辐照漂白激光光源停止工作，并重复步骤(1)～步骤(2)，验证辐照光纤是否得到漂白恢复。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：由得到辐照光纤所吸收的辐照总剂量，由得到辐照光纤所受到的剂量率，其中，αr表示辐照后的吸收系数，αp表示原始吸收系数，η为经验参数，且与光纤系能参数有关，T为辐照时间，λ1表示辐致吸收的最小波长，λ2表示辐致吸收的最大波长。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据漂白后的各个波长吸收系数的变化，由得到漂白后辐照光纤透过性能恢复的百分比，其中，C为漂白后辐照光纤透过性能恢复的百分比，ξ为经验参数，且与光纤系能参数有关，αb表示漂白后的吸收系数。
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