CN110146913A - 一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，包括纤芯、内包层、外包层、涂覆层等。纤芯、内包层、外包层、涂覆层为同心且外径依次增大的圆柱体波导，折射率依次降低，内包层掺杂铈、铽、铕等闪烁物质，高能射线与内包层闪烁物质作用产生荧光，荧光在内包层全反射多模传输，其中部分荧光进入纤芯中单模低损耗传输，传输距离可达数十公里。本发明克服普通单包层闪烁光纤传感距离短，灵敏度低的缺点，具有探测距离远、抗腐蚀能力强、成本低廉易制备的优点。可实现长距离、分布式辐射剂量监测和分析。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，特别是一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，其可以在地质勘探、工业检测、生物医学工程、洋流运动、航空航天等领域及时准确地对放射性核素进行监控和测量，相比于电量传感器，其具备低成本、实时在线、抗电磁干扰等特点，特别适用于分布式、大探测范围的应用。
背景技术
辐射探测技术是利用高能射线使传感介质发生物理或化学变化，包括电离效应、荧光效应等。常用的辐射探测器有半导体类探测器、闪烁体类探测器等类型辐射传感器，在特定应用场景下具有优异的性能。实际应用中由于射线穿透距离与物质密度有关，导致上述探测器在较大密度介质(水域)中工作时仅仅被视作“点式”探测。在广域水体传感时，需要布设大量探测器，其成本高昂，后期维护困难。光纤传感技术历经几十年的发展，具备低成本、实时在线、抗电磁干扰等特点，特别适用于分布式、大探测范围的应用。
目前特种闪烁光纤兼具辐射敏感以及光波导的双重特性，被广泛应用于广域水体辐射探测中。普通单包层闪烁光纤为了获得较大产额的荧光，纤芯被设计的很大(甚至达到毫米量级)，且其中掺杂有闪烁物质和掺杂离子，这将导致荧光信号经由闪烁光纤传输的过程中存在较大损耗，从而造成能量分辨率下降。实际情况往往需要十至数百米的探测范围，以分离辐射传感单元与后端电子学设备，保障测试人员、仪器免受辐射损伤。因此扩展闪烁光纤探测范围、提高光纤荧光收集效率对广域水体辐射环境探测具有重要意义。
双包层技术最早被用来解决高功率泵浦光和掺杂光纤耦合的问题。一般来说，双包层光纤的外包层折射率小于内包层折射率，内包层的折射率小于纤芯折射率。芯径只有几μm为单模传输，内包层直径可达几十甚至几百μm支持多模传输。如果将用于与高能粒子作用产生荧光的掺杂离子、闪烁物质填充的直径很大的内包层中而不是纤芯中，产生的荧光将部分被耦合进入支持单模传输的纤芯中，从而达到低损耗、长距离传输的目的。
在现有的光纤传感技术中，对于扩展辐射传感距离基本局限于增加单包层闪烁光纤个数、熔接低损传输光纤等，而这些方式不能从本质上解决掺杂和填充闪烁物质带来的损耗。而双包层闪烁光纤结构的设计将解决上述问题。目前尚未有采用双包层闪烁光纤结构对辐射剂量传感及分析的方案。
发明内容
本发明旨在解决辐射剂量的监控和测量的现有方法中存在的上述问题，设计了一种双包层闪烁光纤结构，闪烁物质在高能粒子作用下激发出的荧光可在纤芯中低损耗传输，实现长距离，大范围辐射传感。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
.一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，包括纤芯、内包层、外包层、涂覆层，其特征在于所述纤芯、内包层、外包层、涂覆层为同心且外径依次增大的圆柱体波导，折射率依次降低，内包层掺杂闪烁物质，高能射线与内包层闪烁物质作用产生荧光，荧光在内包层全反射，部分荧光进入纤芯中低损耗传输，传输距离可达数十公里。
所述内包层是由二氧化硅基质混合掺杂无机闪烁物质组成的，高能射线与之作用激发出的荧光在内包层中为多模传输；所述纤芯中传输的荧光为单模传输。
所述的掺杂无机闪烁物质为铈、铽、铕等元素，铈离子与硅离子摩尔百分比为0.3mol％,铽离子与硅离子摩尔百分比为0.1mol％,铕离子与硅离子摩尔百分比为0.05mol％。
所述纤芯直径、内包层外径之比范围为0.05～0.2。
所述纤芯、内包层、外包层亦可设计为有机材质组成双包层闪烁塑料光纤，纤芯由辐射不敏感的塑料基质构成，内包层由塑料基质和掺杂环碳氢聚合物类有机闪烁体构成，外包层由塑料基质组成。
所述纤芯不限于单个纤芯结构，亦可为多纤芯结构，并满足纤芯之间间距足够大以避免发生纤芯之间的能量耦合。
本发明的优点和有益效果：
本发明所述的用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，当高能粒子与内包层闪烁物质作用后产生荧光被束缚在内包层中传输，内包层中部分荧光由于闪烁物质和掺杂离子的存在损耗掉，而另一部分荧光进入纤芯中稳定单模长距离传输至光电探测器中计数。大直径的内包层将获得高产额荧光，并稳定限制荧光。纤芯中不掺杂闪烁物质并以单模传输降低损耗，相比普通单包层多模闪烁光纤传输距离仅百米，其传输距离将大大提高至数十公里。本发明采用了双包层技术，具有结构简单，易制备，抗电磁干扰的优点。未来将配合光电倍增管(PMT)、信号采集与处理系统等形成高集成化、高灵敏度、耐腐蚀、便携式辐射传感器，适合在各种恶劣环境下工作。
附图说明
图1为本发明双包层闪烁光纤横截面示意图。
图2为本发明双包层闪烁光纤纵向示意图。
图3为本发明纤芯荧光传输过程中归一化功率分布。
图中：1.纤芯，2.内包层，3.外包层，4.涂覆层
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
具体实施方式
如图1、图2，本发明提出的一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，包括1.纤芯，2.内包层，3.外包层，4.涂覆层。所述纤芯1、内包层2、外包层3、涂覆层4为同心不同直径的圆柱体波导。纤芯1直径为20μm，由高纯度二氧化硅和少量掺杂剂(五氧化二磷、二氧化锗)构成，掺杂剂用于调控折射率，使得其折射率为1.576。内包层2外径为400μm，由二氧化硅基质并混合掺杂铈、铽、铕等无机闪烁物组成，其中，铈离子与硅离子摩尔百分比为0.3mol％,铽离子与硅离子摩尔百分比为0.1mol％,铕离子与硅离子摩尔百分比为0.05mol％,折射率为1.570。外包层3外径为435μm，由高纯度二氧化硅和少量掺杂氟或硼构成，其折射率为1.550。涂覆层4厚度为5μm，由EMA吸收层构成。
高能粒子和内包层闪烁物质作用产生各向同性的300-500nm的荧光，对内包层产生的荧光来说，内包层外包层界限反射角α需满足全反射条件：
其中n1为内包层折射率,n2为外包层折射率。方可被内包层收集，并在内包层中以多模方式传输。同理可知，进入纤芯中的荧光需满足：
其中β为纤芯内包层界面反射角,n0为纤芯折射率。方可被束缚在纤芯中以单模长距离传输。由于折射率差较小，导致只有小部分(约2％)荧光被收集并传输至探测端。如图3，通过光束传播法模拟散射荧光收集和传输的过程，散射荧光被置于内包层(传输距离为0μm),可以看出内包层和纤芯在荧光产生位置附近存在强烈的能量交换。而经过约4000μm的传输后，约2％的荧光可稳定在纤芯中传输，这验证了本发明的可行性。为了增加传感距离和灵敏度需要收集足够多的荧光，传统单包层闪烁光纤的闪烁物质在纤芯中，所以不得不通过增加纤芯尺寸来增加荧光收集量，而纤芯中的闪烁物质和多模传输的方式将极大限制其传输距离。本发明闪烁物质掺杂在内包层中，是通过增加内包层尺寸实现荧光的大量收集，并通过仅支持单模的纤芯实现超长距离低损耗传输，其长度可达数十公里量级。
下面以双包层闪烁光纤广域水体辐射传感为例，说明一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构的传感方法：
长度为5km的双包层闪烁光纤在施加配重物后进入待测水体，水体高能粒子和光纤内包层闪烁物质作用产生荧光，经纤芯低损耗传输至PMT，在二者连接处填充折射率匹配液以增大荧光耦合，PMT由高压模块供电，其输出电信号经过线性放大器预处理保证输出信号和输入信号为正比放大关系，而后电信号经过电子学处理模块降噪，由脉冲幅度分析仪处理和计数并与终端计算机完成通讯和数据存储。
需要进一步说明的是，本发明实施方式仅仅是实现本发明的优选方式，在本发明的描述中，所用术语“内”、“外”为基于附图所示的方位或位置关系，所公布的各种比例关系，可以理解为实现本发明的最优实例，对于本领域的普通技术人员而言应理解其具体含义。对属于本发明整体构思，而仅仅是显而易见的改动，均应属于本发明的保护范围之内。
并且，本发明所述纤芯、内包层、外包层亦可设计为有机材质组成双包层闪烁塑料光纤，纤芯由辐射不敏感的塑料基质构成，内包层由塑料基质和掺杂环碳氢聚合物类有机闪烁体构成，外包层由塑料基质组成。纤芯不限于单个纤芯结构，亦可为多纤芯结构，并满足纤芯之间间距足够大以避免发生纤芯之间的能量耦合为目的。
以上是一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构及其实施例，本发明结合光学和核电子学，在广域放射性环境探测领域具有广泛的应用前景。
Claims (6)
1.一种用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，包括纤芯、内包层、外包层、涂覆层，其特征在于所述纤芯、内包层、外包层、涂覆层为同心且外径依次增大的圆柱体波导，折射率依次降低，内包层掺杂闪烁物质，高能射线与内包层闪烁物质作用产生荧光，荧光在内包层全反射，部分荧光进入纤芯中低损耗传输，传输距离可达数十公里。
2.根据权利要求1所述的用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，其特征在于，所述内包层是由二氧化硅基质混合掺杂无机闪烁物质组成的，高能射线与之作用激发出的荧光在内包层中为多模传输；所述纤芯中传输的荧光为单模传输。
3.根据权利要求2所述的用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，其特征在于，所述的掺杂无机闪烁物质为铈、铽、铕等元素，铈离子与硅离子摩尔百分比为0.3mol％,铽离子与硅离子摩尔百分比为0.1mol％,铕离子与硅离子摩尔百分比为0.05mol％。
4.根据权利要求1或2所述的用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，其特征在于，所述纤芯直径、内包层外径之比范围为0.05～0.2。
5.根据权利要求1所述的用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，其特征在于，所述纤芯、内包层、外包层亦可设计为有机材质组成双包层闪烁塑料光纤，纤芯由辐射不敏感的塑料基质构成，内包层由塑料基质和掺杂环碳氢聚合物类有机闪烁体构成，外包层由塑料基质组成。
6.根据权利要求1或5所述的用于超长距离辐射传感的双包层闪烁光纤结构，其特征在于，所述纤芯不限于单个纤芯结构，亦可为多纤芯结构，并满足纤芯之间间距足够大以避免发生纤芯之间的能量耦合。
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