JP5735605B2 - 光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置及びその方法 - Google Patents

光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置及びその方法 Download PDF

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Description

本発明は光ファイバブラッググレーティング（fiber bragg grating, FBG）センサを利用して温度と放射線量を同時に測定できる装置及び方法に関するものであり、より詳細には二つの光ファイバブラッググレーティングセンサを使用し、一つのセンサは中空型の放射線遮蔽部材を着用させて、二つのセンサから放射線量と温度の値を分離して正確に測定する技術に関するものである。
福島原発事故の際に、初期対応措置の不十分により事故の処理が遅延したため、１年が経った現在も解決が困難であることを経験している。これは事故の現場に設置されて温度や放射線量等を測定するセンサに供給される電源が遮断されてセンサが機能を喪失し、これにより、事故現場の情報が外部に伝えられなかった問題に起因している。
このような問題点の解決策として、センサの駆動に電源が不要で、遠距離でも遠隔地の環境を測定できる光ファイバセンサが有力な代案である。光ファイバブラッググレーティング温度センサは、数Ｋｍ以上の遠隔地でセンサに電源の供給がなくても光ファイバブラッググレーティングから反射される波長の変移を測定することで、設置された環境の温度を精密に測定することができる。しかし、この波長の変化は温度のみならず放射線にも影響を受けて、一つの光ファイバブラッググレーティングセンサを使用して放射線環境で温度を測定するセンサで具現するには技術的限界がある。
本発明は前記のような問題点を解決するために提案されたもので、本発明は次のような解決課題を目的にする。
一番目の目的は、放射線が照射される環境で、温度計測に使用される線形的な周波数の変位量が放射線の被曝量にも同時に線形的な特性を持って、二つの値を区分してセンシングする装置及び方法を提供することにある。
二番目の目的は、二つの光ファイバブラッググレーティングセンサを活用して、一つのセンサは中空型の放射線遮蔽部材を着用させて二つのセンサから放射線量と温度の値を分離して正確に測定する新しい装置及び方法を提供することにある。
本発明の解決課題は以上で言及されたものに限定されず、言及されていない他の解決課題は以下の記載から、当業者に明確に理解される。
前記のような目的を達成するために、本発明は放射線に露出される光ファイバ；前記光ファイバのコアに設置される第一光ファイバブラッググレーティングセンサと、前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサと離隔されるように設置される第二光ファイバブラッググレーティングセンサ；前記第二光ファイバブラッググレーティングセンサの周りには放射線の遮蔽半価層の厚さＢを持つ中空型の放射線遮蔽部材；を含んで、前記の第一光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された放射線量と前記中空型の放射線遮蔽部材に囲まれた第二光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された放射線量を比較して温度と放射線量を測定することを特徴とする光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置を提供する。
また、本発明は前記の装置を利用して温度と放射線量を測定する方法において、前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサ及び第二光ファイバブラッググレーティングセンサで波長の変位量を測定するＳ１段階；第一光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された波長の変位量から第二光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された波長の変位量の差を計算するＳ２段階；前記Ｓ２の段階で計算された波長の変位量の差に該当する放射線量に２を乗じ、全体の放射線量を求めるＳ３段階；第一光ファイバブラッググレーティングセンサの波長の変位量でＳ３段階で求めた全体放射線量による波長変位量を引いて温度による波長の変位量を求めるＳ４段階；及び前記Ｓ４段階で求めた温度による波長の変位量から温度を求めるＳ５段階；を含むことを特徴とする光ファイバブラッググレーティングセンサで温度と放射線量を測定する方法を提供する。
本発明による光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサで同時に具現する装置とその方法によると、原発事故が発生する際に原発の内部区域による温度分布をリアルタイムに測定することができるし、放射線漏出の発生時に放射線の線量及び漏出の位置を測定できる長所がある。従って、温度と放射線の線量計測を通じた原発内部の状態を診断し、事故の原因を迅速に分析して事故の拡大を防止できる効果がある。
また、正常な状態の原発や放射線発生施設などで温度と放射線量の情報を同時に測定する商用センサシステムでの適用及び商用化具現が可能であり、原発事故の時、事故環境の内部の情報把握に決定的な要素である温度と放射線の被爆量を一つの光ファイバラインから同時に遠隔で測定できるセンサシステムとして重要な機能を行うことができる。特に、電源が失われた状態でも事故現場から数Ｋｍ離れたところでも遠隔測定が可能なので、事故の処理に重要な情報提供として核心的な効果を発揮できる。
本発明の効果は以上に言及されたものに限定されず、言及されていない他の効果は下記の記載から、当業者には明確に理解できる。
本発明による光ファイバブラッググレーティングの概念図である。 本発明の一実施例による光ファイバブラッググレーティングセンサの構成図である。 中空型放射線遮蔽部材を囲んでいる光ファイバブラッググレーティングセンサの断面図である。 中空型放射線遮蔽部材に支持部材が設置され、光ファイバと連結関係を表した断面図である。
以下に添付した図面を参考にして、本発明による光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置及びその方法の望ましい実施例を詳しく説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同一の構成要素については、例え他の図面上に表示されても可能な限り同一の符号を付すようにしていることに留意しなければならない。また、本発明を説明するに当たり、関連された公知の構成または機能に関する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。
光ファイバ内で光の伝播原理は屈折率が高い物質から低い物質へ光が進行する際に、その境界面で一定の角度内の光が全て反射される全反射の原理にあり、光ファイバコアに入射された光は屈折率が高いコア層と屈折率が低いクラッディング層の境界面で反射されて光ファイバコアの部分に沿って伝播されるようになる。このような光ファイバの主成分はシリカガラスで構成されており、その構造は屈折率が若干高くなるようにゲルマニウムを添加した光ファイバの中心であるコアの部分と中心を保護する二重層であるクラッディング部分で構成されている。
光ファイバブラッググレーティング配列型センサは、一筋の光ファイバに複数の光ファイバブラッググレーティングを一定の長さに従い刻んだ後、温度や強度などの外部の条件変化によりそれぞれのグレーティングから反射される光の波長が変わる特性を利用したセンサである。一般的に光ファイバのコアにはクラッディングより屈折率を高めるために普通ゲルマニウム（Ge）物質が添加されるが、この物質がシリカガラスに安着する過程で構造の欠陥（defect）が生じうる。この場合、光ファイバのコアに強い紫外線を照射すると、ゲルマニウムの結合構造が変形しながら光繊維の屈折率が変化する。光ファイバブラッググレーティングとは、このような現象を利用して光ファイバのコアの屈折率を周期的に変化させたものをいう。このグレーティングはブラッグの条件を満たす波長のみに反射して、その他の波長はそのまま透過させる特長を持つ。グレーティングの周辺温度が変わったりグレーティングに引張が加わると、光ファイバの屈折率や長さが変化するので反射される光の波長が変化する。したがって、光ファイバブラッググレーティングで反射される光の波長を測定することにより、温度や引張、または圧力、曲げなどを感知することができる。
光ファイバブラッググレーティング配列型センサには一筋の光ファイバに複数のグレーティングが使用されるが、この場合、それぞれのグレーティングの反射波長を全て異なるようにすることにより、反射された光のスペクトルから特定のグレーティングを経た物理量を容易に区分できる。このような方法を波長分割方式というが、この方法では光源の限定された線幅により同時に測定できるグレーティングの数に制約を受ける。測定できるグレーティングの数を増やすための方法として波長分割方式と時間分割方式を並行することもある。
ブラッググレーティングセンサアレイの一番大きな応用の一つは、構造物の状態を診断するスマート機構（smart structure）がある。橋梁、ダム、建築物などの製作をする時に、コンクリートの内部に光ファイバグレーティングアレイを鋪設して、構造物の内部の引張分布や曲げの程度などを感知して、構造物の安全状態を診断することができる。航空機やヘリコプターなどの翼の状態診断などにも応用されている。
一般的に、光ファイバブラッググレーティングは図１に図示されたようにコア１０１を中心にクラッディング１０２が形成されて、形成されたクラッディング１０２の外面にジャケット１０３が形成されたものであり、コア１０１には紫外線に露出される場合、屈折率が増加できるようにゲルマニウム（Ge）などを利用したグレーティング１０４を形成する。したがってコア１０１に入射される入射波Ｉはグレーティング１０４にて屈折率によるフィルタリングが遂行されて反射される。したがって、放射線照射前と照射後の光ファイバブラッググレーティングにて反射される反射波Ｒの光パワーを比較して放射線の照射量による光ファイバの放射線流入損失を測定することができ、光ファイバの流入損失の大きさによって放射線の量を測定できる放射線測定センサを構成することができる。このようなセンサの場合、電磁波などによるノイズを発生させず、光ファイバの流入損失とそれに伴う放射線の線量を測定できる効果がある。
図２は本発明の一実施例による光ファイバブラッググレーティングセンサの構成図である。
光ファイバ１００のコア１０１に第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０が配置されて、一定の間隔をおいて第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１が設置されている。通常的に前記の間隔は２０ないし３０ｃｍが一般的である。前記第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１は中空型の放射線遮蔽部材１２０により囲まれた形になっている。光ファイバブラッググレーティングセンサは温度の変化と放射線量の被爆量によりそれぞれ線形的出力波長の変移特性を見せる。したがって、前記二つの光ファイバブラッググレーティングセンサから測定される二つの計測量を区分すれば、一つの光ファイバ１００のみでも温度と放射線量を同時に測定することができる。
放射線に露出される一筋の光ファイバ１００に第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０と第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１を近接に配置する。この時、第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１の周りには中空型の放射線遮蔽部材１２０を配置する。前記放射線遮蔽部材１２０は測定環境で主な（dominant）放射線の遮蔽半価層の厚さを持つようにしなければならない。
すでに代表的な物質の半価層の厚さとγ線のエネルギーとの関係が実験的に求められているので、これを利用して本発明では放射線量を求める。放射線遮蔽部材１２０はタングステンまたは鉛の材質で構成されることが一般的であり、半価層の厚さとγ線のエネルギーとの関係が知られた材質は何でも使用できる。
図３は中空型遮蔽部材を囲んでいる光ファイバブラッググレーティングセンサの断面図である。光ファイバブラッググレーティングセンサの周りを中空型の放射線遮蔽部材１２０で囲んでいる構造で、支持部材１２１により前記放射線遮蔽部材１２０が配置されている。光ファイバブラッググレーティングセンサと一定量の空間をおいて放射線遮蔽部材１２０が配置されるが、これはより正確な放射線量を測定するため光ファイバブラッググレーティングセンサが外部の環境と同一な条件になるようにするためである。図４では支持部材１２１と光ファイバ１００が結合される過程を示すことで、前記支持部材１２１は放射線遮蔽部材１２０の入口部分と出口部分のみに配置されることも可能であり、より安定的な支持のため内側に一つ以上の空間に配置することができる。
図４には入口部分に三つの支持部材１２１を利用して光ファイバ１００に結合される実施例を示しているが、支持部材１２１の数は限定されず、外部の条件と放射線遮蔽部材１２０の内部の条件が同一にできるような程度であれば、自由に使用することができる。
光ファイバブラッググレーティングセンサの長さＬは、通常は１０ないし２０ｍｍが一般的であるが、図３に示したように放射線遮蔽部材１２０の長さは光ファイバブラッググレーティングセンサを十分に囲めるような「１．５×光ファイバブラッググレーティングセンサの長さＬ」ないし「３×光ファイバブラッググレーティングセンサの長さＬ」にしたほうがよい。放射線遮蔽部材１２０の長さが１．５×Ｌより短い場合には光ファイバブラッググレーティングセンサに被爆された放射線量に誤差が発生する可能性があり、３×Ｌより大きい場合には放射線遮蔽部材１２０の重さにより光ファイバ１００のラインに無理を与えることになる。
また、放射線遮蔽部材１２０の厚さＢは、測定環境で主な放射線の遮蔽半価層の厚さを持つべきであり、放射線遮蔽部材１２０の内側直径は光ファイバの直径Ｄの１．１×Ｄないし３×Ｄ程度を持つのが望ましい。
図２に示した構成で第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１で測定される放射線量は第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０での放射線量の値の半分になる。したがって、第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０と第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１で測定された波長の変位量の差（Ｐ＝第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０の波長の変位量−第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１の波長の変位量）は前記の構成が設置された環境で被爆された放射線量の半分になるので、全体放射線の被爆量は２×Ｐの波長の変位量に該当する放射線量の値ですぐ計算することができる（この際に、もちろん二つのセンサは特性が類似して温度に対する波長の変位量は同一だと想定する）。
次に、第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０の波長の変位量から全体放射線量による波長の変位量（２×P）を引けば、その値が温度による波長の変位量になり温度と放射線量を独立的に測定することが可能になる。
本発明による光ファイバブラッググレーティングセンサで温度と放射線量を測定する方法を説明すると次のようになる。
まず、第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０及び中空型の放射線遮蔽部材１２０に囲まれた第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１で波長の変位量を測定するＳ１段階を経る。
次に、第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０で測定された波長の変位量と第二光ファイバブラッググレーティングセンサ１１１で測定された波長の変位量の差Ｐを計算するＳ２段階を経る。
次に、Ｓ２段階で計算された波長の変位量の差Ｐに該当する放射線量に２を乗じて全体放射線量を求めるＳ３段階を経る。
次に、第一光ファイバブラッググレーティングセンサ１１０の波長の変位量からＳ３段階で求めた全体放射線量による波長の変位量（２×Ｐ）を引いて温度による波長の変位量を求めるＳ４段階を経る。
最後に、前記Ｓ４段階で求めた温度による波長の変位量から温度を求めるＳ５段階を経て温度と放射線量を求めることになる。
以上の説明は本発明の技術的思想を例として説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば本発明の本質的な特性から脱していない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施例は本発明の技術的思想を限定するためのものではなく説明するものであり、このような実施例により本発明の技術的思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は以下の請求範囲により解釈されなければならず、それと等しい範囲内にあるすべての技術的思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
１００：光ファイバ
１０１：コア
１０２：クラッディング
１０３：ジャケット
１０４：グレーティング
１１０：第１光ファイバブラッググレーティングセンサ
１１１：第２光ファイバブラッググレーティングセンサ
１２０：放射線
１２１：支持部材

Claims (7)

  1. 放射線に露出される光ファイバ；
    前記光ファイバのコアに設置される第一光ファイバブラッググレーティングセンサと、前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサと離隔されるように設置される第二光ファイバブラッググレーティングセンサ；
    前記第二光ファイバブラッググレーティングセンサの周りには放射線の遮蔽半価層の厚さＢを持つ中空型の放射線遮蔽部材；を含み、
    前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された放射線量と前記中空型の放射線遮蔽部材に囲まれた第二光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された放射線量を比較して温度と放射線量を測定することを特徴とする光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置。
  2. 前記中空型の放射線遮蔽部材はタングステンまたは鉛で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置。
  3. 前記放射線量の測定は前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された波長の変位量から第２光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された波長の変位量を引いた差に２を乗じて全体放射線量を求めて、
    前記温度の測定は前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサの波長の変位量から前記全体放射線量による波長の変位量を引いて温度による波長の変位量を求めることを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサで同時に具現する装置。
  4. 前記中空型の放射線遮蔽部材の内側に前記光ファイバを支持できるようにする支持部材をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置。
  5. 前記中空型の放射線遮蔽部材は光ファイバブラッググレーティングの長さＬの１．５ないし３倍の長さで前記第二光ファイバブラッググレーティングセンサを囲んでいることを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置。
  6. 前記中空型の放射線遮蔽部材は光ファイバブラッググレーティングの直径Ｄの１．１ないし３倍に該当する内側直径を持つことを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバブラッググレーティングセンサを温度と放射線量センサとして同時に具現する装置。
  7. 前記第一光ファイバブラッググレーティングセンサ及び第二光ファイバブラッググレーティングセンサで波長の変位量を測定するＳ１段階；
    第一光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された波長の変位量から第二光ファイバブラッググレーティングセンサで測定された波長の変位量を引いた差を計算するＳ２段階；
    前記Ｓ２段階で計算された波長の変位量の差に該当する放射線量に２を乗じて全体放射線量を求めるＳ３段階；
    第一光ファイバブラッググレーティングセンサの波長の変位量からＳ３段階で求めた全体放射線量による波長の変位量を引いて温度による波長の変位量を求めるＳ４段階；及び
    前記Ｓ４段階で求めた温度による波長の変位量から温度を求めるＳ５段階；を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置を利用して光ファイバブラッググレーティングセンサで温度と放射線量を測定する方法。
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