CN110988964B - 复合型光纤辐射探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型光纤辐射探测器，包括若干根辐射传感光纤束、光纤集束器、传输光纤、光纤背板。辐射传感光纤束掺杂稀土离子的聚合物光纤或石英光纤集结成束，再连接到光纤集束器中，一起嵌入到光纤背板的凹槽内；光纤集束器内有多个多波长光纤集束器构成，分别将多根聚合物光纤、石英光纤合多为一，并通过传输光纤接入到光信号解调系统；光纤背板外表面覆有遮光外壳，其内部有高分子材料可实现对放射性射线能量的高效沉积。本发明采用对高能射线粒子具有有效沉积的光纤背板结构，提高了射线的通量和沉积，并有效激发辐射传感光纤的不同射线能量响应的光子输出，实现对放射性环境的远程、宽能谱响应传感。

Description

复合型光纤辐射探测器

技术领域

本发明涉及一种光纤辐射探测器，特别涉及一种能对不同射线的能量进行分别探测的光纤辐射探测器，应用光电检测或者核能量监测技术领域。

背景技术

核技术是伴随着核能的利用和需求不断发展进步的，核能作为高效的清洁能源已得到各国的公认和推广。但对放射性物质的泄露及其对人类和环境的危害也是制约核能发展的一个关键因素。正基于此，对核电站及周边的环境和工作人员的放射性剂量监测也是有效开发和利用核能的重要手段。

日本福岛核电站事故中由于海啸带来的对核反应堆的外部破坏致使大剂量的放射性物质泄露到周边环境，突发的大剂量辐射对原有电子监测防护设置造成致命的损耗而无法起到启动预警或启动防护措施的作用。在放射性射线被发现至今的一百多年时间里，对高能射线的传感基本上都是基于射线与物质相互作用的原理，将射线的能量转移或传递给传感介质，经其转换为电信号或光信号的可测物理量进行检测。

因此，目前应用较为广泛的辐射传感技术主要有以下几种：

1.气体介质技术。高能的射线粒子入射到气体介质中发生电离激发出电离电荷，对电离电荷进行收集的辐射传感技术。这是一种应用极为广泛的发展成熟的主流技术，电离室、正比计数器、盖格-米勒G-M计数器都属于这种类型。气体室与探测电离电荷的电路部分合为一体，提高了探测灵敏度的同时，电子线路在高能射线的作用下也会受到损坏，这也是这类器件在大剂量、高能射线探测应用中的不足之处。

2.闪烁体技术。利用辐射致发光特性的闪烁体材料，在放射性环境下，高能射线粒子激发闪烁体材料的激活剂离子，使其发光并被光电探测器捕获转换为电信号的技术。大体积的闪烁体材料可以有效沉积射线粒子的能量并转换成光子输出，为了减少光子散射损耗，光电探测器直接与闪烁体耦合对接。但这样就使得光电探测系统前置到闪烁体传感器端，在大剂量的辐射环境中电子器件受损而无法实现长距离的远程监测。且大体积的闪烁体结构的空间分辨率较差，也无法实现对辐射环境的精细场分布监测。

3.闪烁光纤技术。该技术是将闪烁体材料与光纤制备相结合，使得具有闪烁特性的光纤成为辐射传感器件。闪烁光纤可以有效的提高对辐射环境传感的空间分辨率，同时具有远程传感的技术优势。但单光纤的辐射发光效率有限，且对不同射线的能量分辨率也有限定。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种复合型光纤辐射探测器，能在复杂放射性环境监测中实现远程、不同能量有效沉积并高灵敏分辨探测，本发明器件结构简单，与光电探测系统连接方便，工作稳定、能重复使用，可以结合不同剂量和不同能量的射线环境，选用对不同能量响应敏感的稀土离子材料作为激活剂粒子的辐射传感光纤制备相应的复合型的传感器探头。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合型光纤辐射探测器，用于对具有放射性的环境进行探测，包括至少两根辐射传感光纤束、一个光纤集束器、一根传输光纤和一个光纤背板，辐射传感光纤束由掺杂稀土离子的聚合物光纤或石英光纤集结成束，再汇集连接到光纤集束器中，光纤集束器也安装在光纤背板上，使各辐射传感光纤束一起嵌入安装到光纤背板的凹槽内并进行覆胶固定；光纤集束器内有多个多波长光纤集束器构成，分别将多根聚合物光纤或石英光纤进行合多为一，并与传输光纤的信号接收端连接；传输光纤的另一端接入到光信号解调系统，在光纤背板的外表面覆有遮光外壳，利用遮光外壳将可实现对放射性射线能量进行沉积的高分子材料进行封装，形成具有复合结构的光纤背板；当射线粒子入射光纤背板被其沉积并将能量导入辐射传感光纤中，进而激发稀土元素激活剂粒子使其发光，光子经传输光纤入射到光电探测器对光信号进行解调，从而对环境中的射线粒子进行检测。

作为本发明优选的技术方案，辐射传感光纤束内设有多根掺杂不同稀土离子的光纤，对多种射线粒子进行检测；或者辐射传感光纤束内设有仅有一种类型的光纤构成探测器，从而对单一放射性环境的传感监测。

作为本发明优选的技术方案，光纤背板采用多层叠加复合的结构，并在每层背板结构内嵌入不同类型的辐射传感光纤。

上述光电探测器优选采用光谱仪、光电倍增管、多道分析器中的至少一种光信号检测器。

本发明的工作原理：

在多能量射线粒子并存的放射性环境中，基于射线与物质相互作用原理，射线粒子入射光纤背板被其沉积并将能量导入辐射传感光纤中进而激发稀土元素激活剂粒子使其发光，光子经传输光纤入射到光电探测系统对光信号解调。光纤背板对射线粒子进行有效的沉积再将能量传入辐射传感光纤的过程，改变了传感光纤或单纯提高射线通量的光纤集束对射线粒子入射方向的单一性选择，同时大面积的光纤背板可以提高射线粒子的有效通量，实现对射线粒子的大面积接收和能量沉积，传感光纤的360°全角度射线能量入射。不同稀土掺杂的传感光纤的集束可将不同能量射线激发的光子以最佳效率形式出射进入光电探测器，依据传感需求的不同选择不同的光电探测器系统，如大剂量射线作用下利用光谱仪分析光信号光谱信息，低剂量、高灵敏环境需求的光电倍增管等光电器件的弱信号检测，以及结合多道分析系统而实现多射线粒子的复杂环境下的高灵敏空间分辨的宽能谱监测。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置利用传输光纤连接到光纤背板内的光纤集束器，使将辐射传感的光信号经传输光纤接入到光信号解调系统，光纤传输与光电探测系统耦合方便，操作简单；

2.本发明装置能进行大面积探测，提高了射线通量，能量分辨高；

3.本发明器件的光纤背板结构简单，便于多层叠加进一步提高分辨率和稳定性，实现弱信号检测。

附图说明

图1为本发明实施例一复合型光纤辐射探测器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

在本实施例中，参见图1，一种复合型光纤辐射探测器，用于对具有放射性的环境进行探测，包括5根辐射传感光纤束1、一个光纤集束器2、一根传输光纤3和一个光纤背板4，辐射传感光纤束1由掺杂稀土离子的聚合物光纤或石英光纤集结成束，再汇集连接到光纤集束器2中，光纤集束器2也安装在光纤背板4上，使各辐射传感光纤束1一起嵌入安装到光纤背板4的凹槽内并进行覆胶固定；光纤集束器2内有多个多波长光纤集束器构成，分别将多根聚合物光纤或石英光纤进行合多为一，并与传输光纤3的信号接收端连接；传输光纤3的另一端接入到光信号解调系统，在光纤背板4的外表面覆有遮光外壳，利用遮光外壳将可实现对放射性射线能量进行沉积的高分子材料进行封装，形成具有复合结构的光纤背板4；当射线粒子入射光纤背板4被其沉积并将能量导入辐射传感光纤1中，进而激发稀土元素激活剂粒子使其发光，光子经传输光纤3入射到光电探测器对光信号进行解调，从而对环境中的射线粒子进行检测。本实施例采用光纤背板4对射线粒子进行有效的沉积，再将能量传入辐射传感光纤1的过程，改变了传感光纤或单纯提高射线通量的光纤集束对射线粒子入射方向的单一性选择，同时大面积的光纤背板可以提高射线粒子的有效通量，实现对射线粒子的大面积接收和能量沉积，传感光纤的360°全角度射线能量入射。本实施例复合型光纤辐射探测器采用对高能射线粒子具有有效沉积的光纤背板结构，提高了射线的通量和沉积，并有效激发辐射传感光纤的不同射线能量响应的光子输出，实现对放射性环境的远程、宽能谱响应传感。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，辐射传感光纤束1内设有多根掺杂不同稀土离子光纤，对多种射线粒子进行检测，不同稀土掺杂的辐射传感光纤束1的集束可将不同能量射线激发的光子以最佳效率形式出射进入光电探测器，实现对多射线粒子的复杂环境下的高灵敏空间分辨的宽能谱监测。

实施例三

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，辐射传感光纤束1内设有仅有一种类型的光纤构成探测器，从而对单一放射性环境的传感监测，能对单一放射性粒子进行专门检测，提高检测的精度，减少信号噪声等干扰。

实施例四

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，光纤背板4采用多层叠加复合的结构，并在每层背板结构内嵌入不同类型的辐射传感光纤，形成丰富的辐射传感光纤束1分布结构和层次，光纤背板4对射线粒子进行有效的沉积再将能量传入辐射传感光纤1的过程，改变了传感光纤或单纯提高射线通量的光纤集束对射线粒子入射方向的单一性选择，同时大面积的光纤背板可提高射线粒子的有效通量，实现对射线粒子的大面积接收和能量沉积，传感光纤的360°全角度射线能量入射。

实施例五

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，光电探测器采用光谱仪、光电倍增管、多道分析器中的至少一种光信号检测器。依据传感需求的不同选择不同的光电探测器系统，当在大剂量射线作用下时，利用光谱仪分析光信号光谱信息，当存在低剂量、高灵敏环境需求时，采用光电倍增管这一类光电器件的弱信号检测，以及结合多道分析系统而实现多射线粒子的复杂环境下的高灵敏空间分辨的宽能谱监测。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明复合型光纤辐射探测器的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种复合型光纤辐射探测器，用于对具有放射性的环境进行探测，其特征在于：包括辐射传感光纤束（1）、一个光纤集束器（2）、一根传输光纤（3）和一个光纤背板（4），所述辐射传感光纤束（1）由至少两根掺杂稀土离子的聚合物光纤或石英光纤集结成束，再汇集连接到光纤集束器（2）中，光纤集束器（2）也安装在光纤背板（4）上，使各辐射传感光纤束（1）一起嵌入安装到光纤背板（4）的凹槽内并进行覆胶固定；所述光纤集束器（2）内有多个多波长光纤集束器构成，分别将多根聚合物光纤或石英光纤进行合多为一，并与传输光纤（3）的信号接收端连接；所述传输光纤（3）的另一端接入到光信号解调系统，在所述光纤背板（4）的外表面覆有遮光外壳，利用遮光外壳将可实现对放射性射线能量进行沉积的高分子材料进行封装，形成具有复合结构的光纤背板（4）；当射线粒子入射光纤背板（4）被其沉积并将能量导入辐射传感光纤束 （1）中，进而激发稀土元素激活剂粒子使其发光，光子经传输光纤（3）入射到光电探测器对光信号进行解调，从而对环境中的射线粒子进行检测；

辐射传感光纤束（1）内设有多根掺杂不同稀土离子的光纤，对多种射线粒子进行检测；或者，光纤背板（4）采用多层叠加复合的结构，并在每层光纤背板结构内嵌入掺杂不同稀土离子的光纤。

2.根据权利要求1所述复合型光纤辐射探测器，其特征在于：所述光电探测器采用光谱仪、光电倍增管、多道分析器中的至少一种光信号检测器。

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