CN111077559A - 一种辐射剂量测量装置及测量方法 - Google Patents

一种辐射剂量测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体为一种辐射剂量测量装置及测量方法。包括光源1、第一分束器2、第一波分复用器3、掺铒光纤4、第二波分复用器5、第二分束器6、第二PIN管7、驱动及采样电路8、第一PIN管9、泵浦激光器10、微处理器11、PC上位机12；掺铒光纤4放置于空间辐射环境中，其余部分位于非辐射空间。其基于掺铒光纤放大器中掺杂光纤的辐射致增益衰减效应，实时测量掺杂光纤的增益，通过增益的实时变化，从而推算出辐射剂量和剂量率的测量装置及方法。该测量装置无需引入额外的参考光路，以测量光路自身不同时刻的功率值为参考，简化了测量装置，提高了系统测量的稳定性和可靠性；该测量方法线性度好、测量动态范围大。

Description

一种辐射剂量测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体为一种辐射剂量测量装置及测量方法。
背景技术
空间光通信因其传输速率高、信道容量大、不占频谱资源、抗干扰等特点，无论在军事还是民用领域均具有良好的应用前景。然而，空间环境中存在各种宇宙射线，与通信器件相互作用引起的电离总剂量效应，导致其性能显著降低或失效，甚至造成整个通信系统瘫痪。因此，空间辐射剂量的测量对空间光通信系统的工程应用研究具有重要的意义。
空间辐射剂量测量方法目前可分为两类：一类是以热释光探测器、行迹探测器等为代表的被动式测量法，另一类是以气体电离探测器(电离室、正比计数器、G-M计数器)、半导体探测器、闪烁体探测器为代表的主动式测量法。被动式探测器具有能量响应好、性能稳定、可靠性高等特点，但无法进行实时测量，需返回地面进行数据处理后方可提供辐射总剂量。主动式探测器最显著的特点是可以实时提供辐射剂量信息。但上述典型的主动式探测器中，气体电离探测器需外部提供几百甚至上千伏的高压电源，能耗高，系统复杂度高且线性动态范围小；半导体探测器中探测介质对辐射损伤较敏感，且性能受温度影响较大；闪烁体探测器需要额外的光电倍增管来提高灵敏度，系统复杂度高。因此，一种能测量且简单有效、线性度好、动态范围大的测量装置和方法显得尤为重要。
发明内容
本发明为了能够很好地克服现有主动式辐射剂量探测器系统复杂度高、功耗大、线性动态范围小、稳定性差等技术不足的问题，提供一种辐射剂量测量装置及测量方法，其具体方法为；
一种辐射剂量测量装置，其特征在于：包括光源1、第一分束器2、第一波分复用器3、掺铒光纤4、第二波分复用器5、第二分束器6、第二PIN管7、驱动及采样电路8、第一PIN管9、泵浦激光器10、微处理器11、PC上位机12；所述光源1的输出端连接至所述第一分束器2，所述第一分束器2将光分为两束分别进入所述第一 PIN管9和所述第一波分复用器3，所述泵浦激光器10的输出端也接入所述第一波分复用器3，所述第一波分复用器3的输出端接入所述掺铒光纤4，所述掺铒光纤4的输出端接入所述第二波分复用器5，所述第二波分复用器5的输出端接入所述第二分束器6，所述第二分束器6的一束分束光接入所述第二PIN管7，所述第二PIN管7、所述泵浦激光器10、所述第一PIN管9均接入所述驱动及采样电路8，所述驱动及采样电路8与所述微处理器11连接，所述微处理器11与所述PC上位机12连接。
进一步的，所述的一种辐射剂量测量装置，其特征在于：所述掺铒光纤4放置于空间辐射环境中。
进一步的，所述的一种辐射剂量测量装置，其特征在于：所述光源1为1550nm 窄带光源。
一种基于所述的辐射剂量测量装置的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：
光经过所述辐射剂量测量装置的光路，进入所述驱动及采样电路8，所述驱动及采样电路8分别获取所述第一PIN管9传来的光源光功率和所述第二PIN管7传入的经过泵浦激励后的掺铒光纤输出光功率的大小；
第二步：
将上述功率数值按照公式测量：
POUT(t)-POUT(0)-(PIN(t)-PIN(0))＝D(t)·g·L
式中，POUT(t)、PIN(t)分别为测量t时刻掺杂光纤输出光功率大小和t时刻光源信号光功率大小，单位为dBm；POUT(0)、PIN(0)分别为开始测量时掺杂光纤输出光功率大小和开始测量时光源信号光功率大小，单位为dBm；g为单位长度掺铒光纤辐照衰减系数，单位为dB/(m·rad)；L为掺杂光纤长度；D(t)为经过时间t后积累的辐照总剂量，单位为rad；
通过D(t)对时间t进行求微分运算，即可得到t时刻的辐照剂量率。
进一步的，所述的一种基于所述辐射剂量测量装置的测试方法，其特征在于：光经过所述辐射剂量测量装置时，所述第一分束器2按一定比例分为两束光，一束进入所述第一PIN管9后被所述驱动及采样电路8采集，另一束与所述泵浦激光器10输出的泵浦光一同进入所述波分复用器3，所述波分复用器3的输出光接入所述掺铒光纤4，所述掺铒光纤4暴露于空间辐射环境中用于测量辐射剂量，所述掺铒光纤4的输出端连接至所述第二波分复用器5，所述第二波分复用器5将经过辐射后的掺铒光纤输出光中残余的泵浦光滤除，并将剩余的光输出至所述第二分束器6，所述第二分束器6按所述第一分束器2的分光比例对光进行分束，分束后的光进入所述驱动及采样电路8。
进一步的，所述的一种基于所述辐射剂量测量装置的测试方法，其特征在于：所述第一分束器2的分束比例应小于1:10。
本发明基于掺铒光纤放大器中掺杂光纤的辐射致增益衰减效应，实时测量掺杂光纤的增益，通过增益的实时变化，从而推算出辐射剂量和剂量率的测量装置及方法。该测量装置仅有掺铒光纤放大器部分放置于空间辐射环境中，其余部分位于非辐射空间，且该测量装置无需引入额外的参考光路，以测量光路自身不同时刻的功率值为参考，简化了测量装置，提高了系统测量的稳定性和可靠性。该方法采用的辐照传感单元为掺杂光纤，由于掺杂光纤的放大作用，可实现强剂量的辐射测量，且掺杂光纤越长，对辐射越敏感，测量灵敏度就越高，就可实现低剂量的辐射测量，因此线性动态范围大。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为；一种辐射剂量测量装置的结构示意图；
附图标记说明：
1、光源；2、第一分束器；3第一波分复用器；4、掺铒光纤；5、第二波分复用器；6、第二分束器；7、第二PIN管；8、驱动及采样电路；9、第一PIN管；10、泵浦激光器； 11、微处理器；12、PC上位机。
具体实施方式
本发明提出的一种基于掺铒光纤放大器的辐射剂量测量装置及测量方法，测量装置如图1所示包括光源1、第一分束器2、第一波分复用器3、掺铒光纤4、第二波分复用器5、第二分束器6、第二PIN管7、驱动及采样电路8、第一PIN管9、泵浦激光器10、微处理器11、PC上位机12。
光源1的输出端连接至第一分束器2，并按一定比例分为两束光，一束进入第一PIN管9后被驱动及采样电路采集，另一束与泵浦激光器10输出的泵浦光一同进入波分复用器3，波分复用器3输出接入掺铒光纤4，掺铒光纤4暴露于空间辐射环境中用于测量辐射剂量，掺铒光纤4的输出端连接至第二波分复用器5，第二波分复用器5对经过辐射后的掺铒光纤输出光中残余的泵浦激光器10的光滤除，并将剩余的光输出至第二分束器6，第二分束器6按前几步中第一分束器2的的比例对光进行分束，分束后的光进入驱动及采样电路8。泵浦激光器10与驱动及采样电路8连接，驱动及采样电路8连接至微处理器 11，微处理器11同PC上位机12互联。
本发明中：波分复用器用于复用和解复用泵浦光和信号光源；掺铒光纤作为辐照传感单元，用于辐射探测，其位于空间辐射环境中；分束器及PIN管用于提取信号光源1和掺铒光纤4输出信号光功率大小，分束器的比例应小于1:10；所述驱动及采样电路8的驱动电路用于驱动泵浦激光器为掺铒光纤提供激励，驱动及采样电路8中的采样电路用于 PIN管将提取的光功率大小转换为电信号反馈给微处理器11并上传至PC上位机12。
具体测量方法如下：
光经过前述的路径，通过驱动及采样电路8分别获取光源和经过泵浦激励后的掺铒光纤输出光功率的大小，然后通过以下公式计算辐照剂量：
POUT(t)-POUT(0)-(PIN(t)-PIN(0))＝D(t)·g·L(1)
式中，POUT(t)、PIN(t)分别为测量t时刻掺杂光纤输出光功率大小和t时刻光源信号光功率大小，单位为dBm；POUT(0)、PIN(0)分别为开始测量时掺杂光纤输出光功率大小和开始测量时光源信号光功率大小，单位为dBm；g为单位长度掺铒光纤辐照衰减系数，单位为dB/(m·rad)；L为掺杂光纤长度；D(t)为经过时间t后积累的辐照总剂量，单位为 rad。通过D(t)对时间t进行求微分运算，即可得到t时刻的辐照剂量率。
下面通过实施例进一步的说明本发明。
本实施例中，本系统的具体方案构成包括光源1、第一分束器2、第一波分复用器3、掺铒光纤4、第二波分复用器5、第二分束器6、第二PIN管7、驱动及采样电路8、第一 PIN管9、泵浦激光器10、微处理器11、PC上位机12。
具体的，光源为稳定性较高的1550nm窄带光源，用以提供信号光；分束器1是一个1入2出的三端口器件，对信号光按99:1的比例进行分束，99％接入波分复用器，1％接入PIN管1；泵浦激光器为980nm蝶形封装的半导体激光器，为掺铒光纤放大信号光提供充足的激励源，该激光器由驱动采样电路中的驱动电路部分进行恒电流驱动；波分复用器将光源经过分束器后99％的1550nm信号光和980nm泵浦光共同耦合进入掺铒光纤，该光纤为低掺杂浓度的ER3+稀土光纤，具有辐照敏感特性，长度可根据辐射环境选取，短则数米，长则数十米。掺杂光纤输出信号经波分复用器2将多余的980nm泵浦光信号滤除，以保证接入分束器2的光信号中只存在1550nm信号光；分束器2将99％的1550nm信号光直接输出，1％接入PIN管2；以上所述所有光路连接均采用光纤熔接方式进行；驱动采样电路中的采样电路部分通过PIN管转换后的电信号送入微处理器，PIN管转换后的电信号与入射PIN管的光功率大小呈正比例关系，微处理器通过电信号大小和分束器的分光比可以计算出光源和掺杂光纤放大信号光后光功率大小PIN(t)、POUT(t)，并实时上传至上位机。得到相应数据后，可根据上述公式(1)进行计算得出累积的辐射剂量，进而通过求微分运算得出辐射剂量率。
下面通过数据阐述上述具体实例计算过程，例如：
PIN(0)＝0dBm，POUT(0)＝20.00dBm
t1＝100ms，PIN(t1)＝0dBm，POUT(t1)＝19.95dBm；
t2＝200ms，PIN(t2)＝0dBm，POUT(t2)＝19.90dBm；
t3＝300ms，PIN(t3)＝0dBm，POUT(t3)＝19.84dBm；
t4＝400ms，PIN(t4)＝0dBm，POUT(t4)＝19.80dBm；
t5＝200ms，PIN(t5)＝0dBm，POUT(t5)＝19.75dBm；
g＝-0.02dB/(m·rad)，L＝10m；
将上述实时数据代入上述(1)式中，并进行拟合得出，
D(t)＝2.5143t-99.995rad，线性度R2＝0.9982
将上式对时间t求微分得出，辐照剂量率
Figure BDA0002327546690000051
本发明为了能够很好地克服现有主动式辐射剂量探测器系统复杂度高、功耗大、线性动态范围小、稳定性差等技术不足的问题。本发明提出一种基于掺铒光纤放大器中掺杂光纤的辐射致增益衰减效应，实时测量掺杂光纤的增益，通过增益的实时变化，从而推算出辐射剂量和剂量率的测量装置及方法。该测量装置仅有掺铒光纤放大器部分放置于空间辐射环境中，其余部分位于非辐射空间，且该测量装置无需引入额外的参考光路，，以测量光路自身不同时刻的功率值为参考，简化了测量装置，提高了系统测量的稳定性和可靠性。该方法采用的辐照传感单元为掺杂光纤，由于掺杂光纤的放大作用，可实现强剂量的辐射测量，且掺杂光纤越长，对辐射越敏感，测量灵敏度就越高，就可实现低剂量的辐射测量，因此线性动态范围大。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种辐射剂量测量装置，其特征在于：包括光源(1)、第一分束器(2)、第一波分复用器(3)、掺铒光纤(4)、第二波分复用器(5)、第二分束器(6)、第二PIN管(7)、驱动及采样电路(8)、第一PIN管(9)、泵浦激光器(10)、微处理器(11)、PC上位机(12)；所述光源(1)的输出端连接至所述第一分束器(2)，所述第一分束器(2)将光分为两束分别进入所述第一PIN管(9)和所述第一波分复用器(3)，所述泵浦激光器(10)的输出端也接入所述第一波分复用器(3)，所述第一波分复用器(3)的输出端接入所述掺铒光纤(4)，所述掺铒光纤(4)的输出端接入所述第二波分复用器(5)，所述第二波分复用器(5)的输出端接入所述第二分束器(6)，所述第二分束器(6)的一束分束光接入所述第二PIN管(7)，所述第二PIN管(7)、所述泵浦激光器(10)、所述第一PIN管(9)均接入所述驱动及采样电路(8)，所述驱动及采样电路(8)与所述微处理器(11)连接，所述微处理器(11)与所述PC上位机(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种辐射剂量测量装置，其特征在于：所述掺铒光纤(4)放置于空间辐射环境中。
3.根据权利要求1或2所述的一种辐射剂量测量装置，其特征在于：所述光源(1)为1550nm窄带光源。
4.一种基于权利要求1或2或3所述的辐射剂量测量装置的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：
光经过所述辐射剂量测量装置的光路，进入所述驱动及采样电路(8)，所述驱动及采样电路(8)分别获取所述第一PIN管(9)传来的光源光功率和所述第二PIN管(7)传入的经过泵浦激励后的掺铒光纤输出光功率的大小；
第二步：
将上述功率数值按照公式测量：
POUT(t)-POUT(0)-(PIN(t)-PIN(0))＝D(t)·g·L
式中，POUT(t)、PIN(t)分别为测量t时刻掺杂光纤输出光功率大小和t时刻光源信号光功率大小，单位为dBm；POUT(0)、PIN(0)分别为开始测量时掺杂光纤输出光功率大小和开始测量时光源信号光功率大小，单位为dBm；g为单位长度掺铒光纤辐照衰减系数，单位为dB/(m·rad)；L为掺杂光纤长度；D(t)为经过时间t后积累的辐照总剂量，单位为rad；
通过D(t)对时间t进行求微分运算，即可得到t时刻的辐照剂量率。
5.根据权利要求4所述的一种基于权利要求1或2或3所述辐射剂量测量装置的测试方法，其特征在于：光经过所述辐射剂量测量装置时，所述第一分束器(2)按一定比例分为两束光，一束进入所述第一PIN管(9)后被所述驱动及采样电路(8)采集，另一束与所述泵浦激光器(10)输出的泵浦光一同进入所述波分复用器(3)，所述波分复用器(3)的输出光接入所述掺铒光纤(4)，所述掺铒光纤(4)暴露于空间辐射环境中用于测量辐射剂量，所述掺铒光纤(4)的输出端连接至所述第二波分复用器(5)，所述第二波分复用器(5)将经过辐射后的掺铒光纤输出光中残余的泵浦光滤除，并将剩余的光输出至所述第二分束器(6)，所述第二分束器(6)按所述第一分束器(2)的分光比例对光进行分束，分束后的光进入所述驱动及采样电路(8)。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于权利要求1或2或3所述辐射剂量测量装置的测试方法，其特征在于：所述第一分束器(2)的分束比例应小于1:10。
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