KR20150007351A - 방사선 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제 2 전극(202)으로부터 이격된 적어도 하나의 제 1 전극(201)과 인접한 분포형 광섬유 음향/진동 감지에 적합한 적어도 하나의 광섬유(104)를 포함하며, 제 1 및 제 2 전극들 사이에 갭을 가진 방사선 검출기 장치를 설명한다.

Description

방사선 검출기{RADIATION DETECTOR}

본 발명은 광섬유를 사용하는 이온화 방사선의 검출을 위한 방법 및 장치에 관한 것이고, 특히 분포형 광섬유 방사선 검출기에 관한 것이다.

이온화 방사선을 검출 및/또는 모니터링하기를 원하는 다양한 용례들이 있다. 예를 들어, 원자력 산업에서 발전소 내의 다양한 위치들에서 방사선 레벨을 모니터링하기를 원할 수 있다. 많은 예들에서, 이러한 모니터링은 원격으로 그리고 자동으로 행해질 수 있는 것이 바람직하다. 유사하게 방사성 선원을 사용하는 병원 영상의학부 및 다른 단체들에 또한 방사선 검출기가 설치될 필요가 있을 수도 있다.

소정 위치에서의 모니터링을 제공하기 위해 이용되는 방사선 검출기들은 일반적으로 가스 이온화 검출기 또는 반도체 방사선 검출기와 같은 고체상 검출기인 경향이 있다.

잘 알려진 가이거-뮐러(Geiger-Mueller) 튜브와 같은 가스 이온화 검출기는 일반적으로 가스의 파괴 전압 미만인 전극들에 인가되는 전위차를 가진 가스 분위기 내의 2개의 가깝게 이격된 전극들을 포함한다. 이온화 방사선의 존재 시에, 가스의 일부 원자 또는 분자는 이온화될 것이고 결과로 초래된 전자 및 이온은 전류가 전극들 사이에서 흐르게 할 것이다. 전류의 유동은 이온화 방사선의 존재의 징후로서 검출되고 사용될 수 있다. 인가된 전위차의 강도는 각각의 검출 이벤트를 위해 비교적 큰 전류 펄스를 야기하는 가스 내의 애벌런치 증배(avalanche multiplication)를 야기하도록 비교적 클 수 있다.

반도체 방사선 검출기는 검출기 물질 내의 생성 전자-정공 쌍들을 생성하는 방사선을 이온화하여 야기된 결과로 초래된 전류를 측정하여 작동한다. 반도체 검출기는 빠른 응답 시간을 제공할 수 있지만 가스 이온화 검출기보다 더 고가일 수 있고 누설 전류를 감소시키도록 냉각을 필요로 할 수 있다.

이러한 방사선 검출기는 소정 위치에서 이온화 방사선을 측정하기 위해 소정 위치에서 작동한다. 많은 용례들에서, 많은 다른 검출기는 충분한 커버리지를 제공하도록, 예를 들어, 충분한 면적 커버리지를 제공하도록 그리고/또는 시설 내의 다른 위치들에서 모니터링을 제공하도록 다양한 위치들에 위치되어야한다. 각각의 검출기는 동력이 공급되어야하고 일반적으로 하나 이상의 제어 중심부들과 같은 원격 위치에 대한 판독을 전달할 수 있어야한다. 따라서 비교적 상당한 비용이 들 수 있고 이러한 방사선 검출기를 설치하는데 있어서 복잡할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 이러한 문제들의 적어도 일부를 완화하는 방사선 검출기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 제 2 전극으로부터 이격된 적어도 하나의 제 1 전극과 인접한, 분포형 광섬유 음향/진동 감지에 적합한 적어도 하나의 광섬유를 포함하며, 제 1 및 제 2 전극들 사이는 가스가 구비되는 방사선 검출기 장치가 제공되어 있다.

작동 중에, 전위차는 제 1 및 제 2 전극들 사이에 인가될 것이다. 따라서 장치는 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전위차를 인가하는 회로를 포함할 수도 있다. 전위차는 비교적 높지만 가스의 파괴 전압 미만일 수 있다. 특히 전위차는 가스의 이온화된 원자/분자의 존재가 애벌런치 증배를 야기하도록 충분히 클 수 있다. 따라서, 이온화 방사선의 존재 시에, 가스의 일부 원자/분자는 이온화될 수 있고 예를 들어, 스파크를 생성하도록 전극들 사이에 하전 입자들의 캐스케이드(cascade)를 야기한다.

광섬유는 전극들에 인접하고 분포형 음향 감지에 적합하다. 분포형 음향 감지(DAS)는 광섬유가 감지 섬유로서 배치되고 광 방사선에 의해 인테로게이트되는(여기서 가시광선 및 또한 자외선 또는 적외선을 평균하도록 취해지는) 감지의 알려진 유형이다. 광섬유 내로부터 후방 산란된 방사선은 검출되고 감지 섬유의 다른 길이 방향 섹션들 내의 광섬유, 즉, 채널들 상에서 작용하는 음향 자극들에 대한 정보를 드러내도록 분석된다. 일반적으로 인테로게이팅 광 방사선은 광 방사선의 하나 이상의 펄스들을 포함하고 일 회 또는 수회 빈(bin)들 내에서 후방 산란 방사선을 분석하여 광섬유의 하나 이상의 별개의 감지 부분들에 입사한 음향 신호들이 검출될 수 있다. 따라서 DAS 센서는 연속될 수 있는(하지만 꼭 연속되어야하는 것은 아님) 광섬유의 감지 부분들의 선형 감지 어레이의 역할을 효과적으로 한다. 섬유의 감지 부분들의 길이는 인테로게이팅 방사선의 특성 및 후방 산란 신호들에 적용되는 프로세싱에 의해 결정되지만 일반적으로 약 수 미터 내지 수십 미터 정도의 감지 부분들이 사용될 수도 있다. 여기서 사용된 바와 같이 용어, 음향은 광섬유의 변형률의 변화를 초래할 수 있는 압력파 또는 기계적 방해의 임의의 유형을 의미해야하고 의심의 여지를 없애기 위해 용어, 음향은 초음파 및 음속 이하의 파를 포함해야 하는 것을 유념하라.

본 발명의 실시예들에서, 광섬유는 알려진 분포형 음향 감지 기술들을 사용하여 모니터링될 수 있다. 상술된 바와 같이 이온화 방사선이 있을 시에, 가스는 이온화될 수 있고, 전극들 사이의 인가된 전위차 때문에, 하전 입자들의 캐스케이드, 즉, 스파크가 발생할 수 있다. 캐스케이드는 하전 입자들의 유동을 초래할 뿐만 아니라 일반적으로 가스 매체의 압력파, 즉, 음향파를 생성할 것이다. 즉, 사용시에 이온화 방사선의 존재에 의해 야기된 스파크가 일반적으로 비교적 강렬할 수 있는 날카로운 소리를 동반할 것이다. 분포형 음향 센서는 캐스케이드에 의해 생성되는 음향파를 검출할 수 있고 따라서 방전이 발생하는 징후를 제공할 수 있고, 따라서 이온화 방사선의 존재를 나타낸다. 분포형 음향 센서는 하전 입자들의 스파크 또는 캐스케이드와 연관된 소리에 대해 사실상 '들을' 수 있다. 시간에 걸쳐 검출 이벤트들의 수는 소정 위치에서 이온화 방사선의 레벨의 징후를 제공할 것이다.

하전 입자들의 캐스케이드는 또한 분포형 음향 센서에 의해 추가적으로 또는 대안적으로 검출될 수 있는 열 신호를 생성할 것이다. 즉, 스파크는 가스 및 전극들의 가열을 야기할 것이다. 분포형 음향 센서가 전극들 중 하나에 가깝게 위치되고, 예를 들어, 전극들 중 하나에 연결된다면, 캐스케이드에 의해 생성된 열의 적어도 일부는 광섬유, 또는 적어도 클래딩/자켓 층들을 지나갈 것이다. 스파크는 비교적 짧은 시간 기간에 걸쳐 비교적 큰 온도 변화를 야기할 수 있다. 이것은 광섬유의 굴절률의 조절로부터 초래된 광 경로 길이 변화 및 가능하게는 섬유 물질의 임의의 열 팽창을 야기할 것이다. 따라서 섬유 광/자켓 물질의 비교적 빠른 가열은 외란(disturbance)과 같은 비교적 빠른 변형을 초래할 것이다. 이 열 유도된 경로 길이 변화는 음향 압력파에 더하여 또는 음향 압력파 대신에 분포형 음향 검출기에 의해 검출될 수 있는 기간에 달려있다. 몇몇의 예들에서, 열 유도된 외란을 검출하는 것은 이온화 이벤트들의 더 신뢰성 있는 검출을 제공할 수 있다.

기술 분야의 숙련자는 분포형 음향 센서들이 섬유의 임의의 외란 작용을 결정하기 위해 섬유의 연속적인 인테로게이션들에 응하여 섬유의 소정 감지 부분으로부터 복귀된 신호들을 비교한다는 것을 이해할 것이다.

이러한 센서들은 음향 주파수들에서 입사 진동의 양호한 검출을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 센서들은 일반적으로 낮은 주파수 변형률을 덜 신뢰할 수 있게 검출할 수 있고 온도 변화를 느리게 할 수 있고 사실상 이러한 낮은 주파수 효과는 소음으로서 보일 수 있다. 그러나 하전 입자들의 캐스케이드에 의해 야기된 가열 효과가 비교적 신속한 가열을 초래할 것이고 이어서 분포형 음향 센서들로부터의 복귀에서 신뢰성 있는 특징을 생성하는 더 느린 냉각을 초래할 것임이 본 발명의 발명자에 의해 이해된다.

기술 분야의 숙련자는 또한 광섬유 기반 분포 온도 감지(DTS)가 브릴루인 및/또는 라만 산란을 겪는 광선을 검출하는 것 그리고 온도를 결정하기 위해 광선을 분석하는 것을 필요로 하는 다른 공지된 기술임을 이해할 것이다. 대부분의 DTS 시스템들은 정확한 측정을 제공하기 위해 비교적 긴 평균 시간을 요구하고 종래의 DTS 시스템들은 일반적으로 시간 분해능 및 또한 하전 입자들의 캐스케이드에 의해 생성된 열 펄스들을 검출하기 위해 온도 분해능이 없을 것임을 유념하라.

따라서 본 발명의 실시예들은 이온화 방사선의 존재 시에 하전 입자들의 캐스케이드를 생성하기 위해 2개의 이격된 컨덕터들을 사용하지만 캐스케이드와 연관된 외란을 검출하기 위해 광섬유 분포형 음향 센서를 사용하고, 이것은 음향 압력파 또는 캐스케이드 또는 캐스케이드 및 외란에 기인한 열 외란 때문일 수 있다.

따라서 광섬유는 감지 섬유 및 감지 위치로부터 적합한 제어국으로 감지 데이터를 운반하는 수단 둘 다의 기능을 겸한다.

하나의 실시예에서, 광섬유의 길이를 따라 일정 간격만큼 이격된 복수의 전극 쌍들이 있을 수 있고, 각각의 전극 쌍은 제 1 및 제 2 전극들을 포함한다. DAS에서 상술된 바와 같이, 광섬유는 복수의 개별 감지 부분들을 제공할 수 있다. 따라서 광섬유는 적어도 일부 전극 쌍들이 사용 시에 섬유의 다른 감지 부분들과 연관되도록 인테로게이트될 수 있다. 이것은 하나의 위치에서 하나의 전극 쌍과 연관되는 검출 이벤트들이 다른 위치에서 다른 전극 쌍과 연관되는 검출 이벤트들과 구별될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 동일한 광섬유는 2개의 다른 위치들에서 전극 쌍들로부터 검출 이벤트들을 별도로 모니터링하도록 사용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 제 1 및 제 2 전극들은 광섬유의 길이의 적어도 일부에 대해 연장하는 세장형 전극들일 수 있다. 제 1 및 제 2 전극들은 100m 초과 또는 500m 초과 또는 1km 초과의 길이일 수 있다. 본 발명의 이 실시예는 분포형 이온화 방사선 검출기를 제공한다.

이 실시예에서, 제 1 및 제 2 전극들은 사용시에 이전에 언급된 바와 같이 제 1 및 제 2 전극들에 인가된 전위차를 갖고, 전극들의 길이를 따른 임의의 위치(전극들 사이에 적합한 가스가 있음)는 이온화 방사선의 존재 시에 하전 입자들의 캐스케이드로 이어질 수 있고, 따라서 관련 위치에서 자극을 생성한다. 이전에 언급된 바와 같이 광섬유는 복수의 개별 감지 부분들을 제공하도록 인테로게이트될 수 있고, 따라서 이온화 이벤트들과 연관된 외란은 광섬유의 개별 감지 부분들에서 검출될 수 있다. 이것은 세장형 전극들 및 광섬유의 배열이 영역을 통해 이어질 수 있고, 사실상 이온화 방사선의 복수의 개별 검출기들을 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 이 실시예는 다양한 위치들에서 이온화 방사선을 검출하는 매우 편리한 방법을 제공한다. 본 실시예에 따른 분포형 방사선 검출기는 용이하게 설치될 수 있고 모니터링되는 영역으로부터 멀리 있을 수 있는, 광섬유의 단부의 광학 인테로게이션 및 (모니터링되는 영역으로부터 먼 하나의 단부에서 실행될 수 있는) 전극들에 공급될 전위차만을 필요로 할 수 있다. 따라서 복수의 지점 센서들에 전력을 공급하거나 또는 복수의 지점 센서들로부터 데이터를 수신하기 위한 복잡한 배열들이 필요가 없다.

광섬유의 감지 부분들의 길이는 사용된 인테로게이팅 광 방사선의 성질 및 차후의 분석에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 광 섬유는 약 10m 정도의 길이의 복수의 인접한 감지 부분들을 제공하도록 인테로게이트될 수 있다. 따라서 각각의 10m 부분은 분리된 검출기의 역할을 한다. 각각의 스파크, 즉, 이온화 이벤트에 의해 생성된 음향/열 신호들이 검출 가능한 동안, 자극이 감지 부분들 사이의 경계 가까이서 발생하지 않는다면, 자극은 하나 이상의 감지 부분(배열에 따라)에서 검출될 가능성이 없다. 따라서 각각의 감지 부분은 크게 독립적인 감지기를 제공할 수 있다. 아래에 더 상세히 제시되는 바와 같이, 광섬유 내의 감지 부분들의 위치 및 공간 크기는 또한 인테로게이팅 방사선 및/또는 분석의 성질을 변화시킴으로써 사용시에 변할 수 있다. 이것은 고정 지점 센서들과 함께 존재하지 않는 분포형 방사선 검출기의 융통성의 정도를 작동시에 제공한다.

이 실시예는 비교적 긴 길이, 즉, 약 수백 미터 또는 심지어 킬로미터의 길이인 전극들에 인가될 전위차를 요구한다. 그러나 어떠한 상당한 전류 흐름도 요구되지 않고 따라서 전력 수요는 비교적 낮다.

하전 입자들의 캐스케이드를 초래하는 이온화 이벤트의 경우에, 전극들 내에 생성된 전류가 있을 것임을 유념해야한다. 이러한 전류 펄스를 검출하는 것이 가능할 수 있지만, 수백 미터 이상의 길이의 전극들에 대해, 작은 전류 펄스를 정확하게 검출하는 것이 낮은 저항 전극들의 사용을 요구하지 않고서 (따라서 고비용인) 어려울 수 있고 가능한 간섭 및 신호-대-소음 비를 가진 상당한 문제들이 있을 수도 있다. 그러나, 전류 펄스가 신뢰할 수 있게 검출될 수 있을지라도, 전류 펄스의 검출이 전극들의 길이를 따라 어딘가에서 적어도 하나의 이온화 이벤트가 있다는 것을 나타낼 것임을 유념하라. 약 500m 이상의 길이를 가진 전극들에 대해, 이것은 이온화 이벤트가 발생했던 불충분한 정보를 제공할 수 있다. 또한 다른 위치들에서 발생하지만 동시에 전류 펄스들을 생성하는 2개의 이벤트들 사이를 구별하는 것이 가능하지 않을 것이다. 따라서 결과로 초래된 전류를 보는 것은 전극들의 길이를 따른 이온화 방사선의 위치에 대한 어떠한 상당한 정보도 제공하지 못할 것이다.

그러나 본 발명의 실시예에서, 이온화 이벤트의 위치는 광섬유의 감지 부분들의 공간 분해능 내에서 결정될 수 있고 다른 위치들에서 동시의 이벤트는 개별적으로 검출될 것이다.

그러나 몇몇의 실시예들에서 전극들에 생성된 전류가 모니터링될 수 있다. 전극들에서 흐르는 전체 전기 전류 및 또한 분포형 광섬유 센서에 의해 검출된 이온화 이벤트들을 모니터링하여, 이온화 방사선에 대한 몇몇의 추가의 정보를 결정하고 그리고/또는 일부 캘리브레이션(calibration)을 제공하는 것이 가능할 수도 있다. 예를 들어, 처음에 이온화 이벤트들의 소스만이 배경 방사선임을 고려하라. 이것은 섬유의 길이를 따라 임의의 위치들에서 발생하는 검출 이벤트들을 야기할 수 있고 전극 내의 제 1 값의 전류를 생성할 수도 있다. 나중에 상당히 많은 이온화 이벤트들이 섬유의 소정 위치에서, 섬유의 일부 연속적인 감지 부분들로부터 검출된다면, 이것은 방사선 소스가 그 위치를 조사한다는 것을 나타낸다. 이 때, 전극들 내의 전체 전류는 제 2 값으로 증가했을 수도 있다. 전류의 증가는 섬유의 관련 부분에서 작용하는 증가된 이온화 이벤트들로부터 야기된다고 간주될 수 있다. 따라서 전류의 증가는 소정 위치에서 발생하는 이온화 이벤트들의 양의 다른 징후를 제공한다. 따라서 전체 전류를 측정하는 것은 전극들의 길이를 따라 발생하는 이온화 이벤트들의 수의 징후 및 시간에 걸쳐 얼마나 변하는지 그리고 이온화 이벤트들이 발생하는 분포형 광섬유 센서가 국소적으로 있다는 징후 및 이벤트들의 수의 다른 측정을 제공할 수 있다.

하나의 실시예에서 광섬유는 제 1 또는 제 2 전극들 중 적어도 하나에 연결, 즉, 기계적으로 연결될 수도 있다. 이것은 광섬유에 대한 하전 입자들의 캐스케이드에 의해 생성된 음향 자극의 연결 및/또는 전극으로부터 광섬유로의 캐스케이드에 의해 생성된 열의 흐름을 향상시킬 수 있다. 따라서 예를 들어, 클래딩 또는 자켓 층 중 적어도 하나에 일반적으로 배열될, 광섬유는 제 1 전극에 부착될 수도 있다. 광섬유에 연결되는 전극은 바람직하게 광섬유와 동일한 일반적인 방향을 따라 연장하도록 배열된다.

광섬유는 이온화 방사선의 존재시에 발생하는 전기 방전으로부터 광섬유를 보호하기 위해 코팅 또는 장벽층을 가질 수 있다. 광섬유는 또한 이온화 방사선에 기인한 손상으로부터 광섬유를 보호하는 물질로 코팅될 수 있다.

광섬유와 전극 사이의 물질은 원하는 열 성질을 갖도록, 예를 들어, 광섬유 자켓으로의 양호한 열 전달, 예를 들어, 비교적 높은 전도율 및/또는 열 확산, 및/또는 몇몇의 예들에서, 열 팽창의 비교적 높은 계수(섬유의 가열에 의해 야기된 굴절률의 조절이 임의의 열 팽창보다 더 큰 효과가 있을지라도)를 제공하도록 선택될 수도 있다.

하나의 실시예에서 제 1 및/또는 제 2 전극은 광섬유를 가진 케이블 구조체 내에 배열될 수도 있다. 즉, 광섬유 케이블 구조체는 제 1 및 제 2 전극들 중 적어도 하나를 포함할 수 있고 둘 다를 포함할 수도 있다. 케이블이 제 1 및 제 2 전극 둘 다를 포함하는 경우에 전극들은 전극들 사이에 가스를 허용하도록 다공성 물질에 의해 적어도 일부 부분들에서 분리될 수 있고 그리고/또는 가스로 충전될 수 있는 전극들 사이에 적어도 하나의 공동이 있을 수 있다. 즉, 케이블은 가스가 제 1 및 제 2 전극들 사이에 스며들 수 있거나 또는 포함될 수 있도록 디자인될 수 있다. 하나의 실시예에서, 제 1 및 제 2 전극들은 사용시에 가스를 포함하는 일련의 캐비티들을 통해 이어질 수도 있다. 캐비티들은 특정한 공진 주파수를 초래하는 크기를 갖도록 배열될 수 있다. 스파크에 의해 야기된 압력파의 경우에, 캐비티는 공진 주파수에서 공진할 수 있다. 공진 주파수를 검출하는 것은 이온화 이벤트를 검출하는데 도움을 줄 수 있다.

제 1 및 제 2 전극들 중 적어도 하나는 전도성 와이어를 포함할 수 있다. 그러나 하나의 실시예에서 적어도 하나의 전극은 아치형 단면을 가진 컨덕터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극은 아치형 단면을 가지면서 배열될 수 있고 제 2 전극을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열될 수 있다. 제 1 전극은 튜브로서 형성될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 제 2 전극은 아치형 단면을 또한 가질 수 있고 광섬유를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열될 수도 있다. 제 2 전극은 튜브를 포함할 수 있다.

제 1 및 제 2 전극들을 분리하는 가스는 편리하게 공기일 수 있다. 따라서 사용시에 전극들 사이에 공기를 허용하도록 환경에 개방될 수 있는 공기 갭을 둔 제 1 및 제 2 전극들은 분리될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 제 1 및 제 2 전극들은 공기에 대해 다공성이지만, 사용시에 하전 입자들의 캐스케이드를 허용하는 절연체 물질에 의해 적어도 제자리에서 분리될 수 있다.

그러나, 몇몇의 실시예들에서, 특히 제 1 및 제 2 전극들이 케이블 구조체의 부분을 형성하는 경우에, 전극들은 밀봉 환경 내에 배열될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 가스는 케이블 구조체의 제작 동안 캡슐화되었던 공기일 수 있지만 다른 실시예들에서, 다른 가스, 바람직하다면, 예를 들어, 공기보다 더 쉽게 이온화되고 그리고/또는 이온화 유도된 방전이 발생할 때 더 큰 음향 신호를 생성하는 가스가 사용된다. 밀봉된 환경에서 공기 또는 일부 다른 가스든지 간에 가스가 가압될 수 있다. 그러나 밀봉된 환경에서, 이온화 방사선은 검출될 이온화를 야기하도록 가스에 도달하기 위해 장벽층을 지나가야만 할 것이다. 환경으로부터 가스를 밀봉하기 위해 구조체에 사용되는 물질은 이온화 방사선에 최소한의 효과를 미치기 위해, 즉, 포함된 가스 내로 지나가도록 이온화 방사선의 상당한 양을 허용하기 위해 선택될 수 있다. 그러나, 검출될 방사선의 유형, 예를 들어, 알파 방사선, 베타 방사선 또는 감마 방사선에 따라, 물질은 가스에 도달하는 이온화 방사선에 대한 조절 또는 필터링의 정도를 제공하기 위해 조절될 수 있다.

따라서 일반적으로 제 1 및 제 2 전극들을 분리하는 가스와 이온화 방사선에 대한 입사 방향 사이에 적어도 하나의 장벽층이 있을 수 있다. 장벽층은 특정한 유형의 이온화 방사선을 필터링하기 위해 조정된 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, 장벽층은 알파 입자들을 흡수하거나 또는 낮은 에너지 방사선을 차단하도록 충분히 두꺼울 수 있다.

장벽은 전극들 및 광섬유의 길이에 따라 변할 수 있다. 제 1 부분에서, 어떠한 중요한 장벽층도 있지 않을 수 있고 제 2 부분에서 알파 입자들이 전극들을 분리하는 가스에 도달하는 것을 막는 장벽층이 있을 수도 있다. 제 1 및 제 2 부분들이 광섬유의 다른 감지 부분들에 있다면, 제 1 섹션으로부터 검출되는 음향/열 이벤트들은 이온화 방사선의 전체 량을 나타낼 수 있고 제 2 부분으로부터의 신호 복귀는 장벽층을 지나가기에 충분히 효과적인 알파가 아닌 입자 방사선으로부터 단지 이온화 이벤트들을 나타낼 것이다.

몇몇의 실시예들에서 상술된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전극들은 다양한 캐비티들을 통과할 수 있다. 하나의 실시예에서, 적어도 몇몇의 캐비티들은 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 조정된다. 다른 공진 주파수의 적어도 몇몇의 캐비티들은 다른 장벽 물질들을 가질 수 있다. 이 방식으로 몇몇의 캐비티들은 DAS 센서의 단일 감지 부분 내에 배열될 수 있고 각각의 캐비티는 다른 필터 물질을 갖는다. 캐스케이드 방전에 기인하는 음향 신호를 검출하는 것은 이온화 이벤트를 나타내고 연관된 공진 주파수를 검출하는 것은 이벤트가 발생했던 특정한 캐비티를 나타낼 수 있다. 이것은 이온화 방사선의 특성들에 대한 몇몇의 정보를 잠재적으로 제공할 수 있다.

상술된 실시예들은 연관된 가스를 직접 이온화하는 이온화 방사선을 검출할 것이다. 그러나 몇몇의 실시예들에서 검출기 장치는 추가로 또는 대안적으로 2차 이온화를 통해 방사선을 검출하기 위해 배열될 수 있다. 따라서 센서는 이온화 방사선을 방출하여 입사 방사선에 응답하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스의 방향 이온화를 야기할 수 없는, 중성자를 검출하기 위해, 장치는 중성자 흡수에 응하여 이온화 방사선을 방출하는 중성자 흡수 물질을 포함할 수 있다. 이 방식으로 임의의 입사 중성자는 중성자 흡수 물질, 즉, 큰 중성자 흡수 단면을 가진 물질에 의해 흡수될 수 있고, 중성자 흡수 물질로부터 이온화 방사선의 2차 방출을 야기한다. 이 2차 이온화 방사선은 가스의 직접적인 이온화를 야기할 수 있고 따라서 상술된 바와 같이 검출될 수 있는 스파크를 초래할 수 있다. 적합한 중성자 흡수 물질은 붕소-10일 수 있지만 다른 물질들도 알려져 있다.

직접적인 이온화를 야기하는 방사선으로부터 중성자에 기인하는 이벤트들을 구분하기 위해, 장치는 센서의 적어도 부분에 걸쳐, 다른 형태의 이온화 방사선을 실질적으로 차단하거나 또는 감소하는 차폐층을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 중성자 흡수 물질은 차폐층의 적어도 부분을 포함할 수 있다.

다시 장치에는 중성자에 반응하는 하나 이상의 부분들, 예를 들어, 차폐층 및 중성자 흡수 물질 및 직접 이온화 방사선에 반응하는 하나 이상의 부분들, 즉, 차폐층 및 중성자 흡수 물질 없이 배열될 수 있고, 각각의 부분은 동일한 장치가 중성자 및 직접적인 이온화 방사선을 검출하기 위해 사용되도록 DAS 센서의 다른 감지 부분들에 대응한다.

본 발명의 실시예들은 상술된 장치, 광섬유 상에 분포형 음향 감지를 실행하기 위한 광섬유에 연결된 인테로게이터 유닛 및 제 1 및 제 2 전극들에 전위차를 인가하기 위한 회로를 포함하는 방사선 검출기를 제공한다.

그러나 분포형 음향 감지의 기술들이 사용될 수 있는 반면(광 방사선의 펄스들을 가진 광섬유를 인테로게이트하는 것, 후방 산란된 방사선을 검출하는 것 및 임의의 경로 길이 변화들에 기인하는 변화들에 대한 이러한 방사선을 분석하는 것에 관하여), 검출은 음향 압력파들을 검출하는 것에 더하여 또는 대신에, 하전 입자들의 캐스케이드와 연관된 열 이벤트들에 기인하여 특유의 특징을 찾을 수 있다는 것이 상기로부터 명백해질 것이다. 따라서 의심의 여지없이, 여기서 사용된 바와 같이 용어 분포형 음향 센서는 분포형 음향 감지에 적합한 분포형 광섬유 센서, 즉, 감지 섬유의 비교적 빠른 경로 길이 변화들에 반응하는 센서(그러나 생성되는)를 지칭한다.

인테로게이터 유닛은 광섬유 내로 인테로게이팅 광 방사선을 방출하고 또한 섬유 내로부터 후방 산란되는 광 방사선을 검출하도록 구성된다. 인테로게이터 유닛은 또한 광섬유의 복수의 감지 부분들의 각각에 대해 측정 신호를 생성하기 위해 검출된 후방 산란된 방사선을 처리하도록 구성될 수 있고, 측정 신호는 상기 감지 부분에 의해 검출된 신호들을 나타낸다.

장치는 또한 이온화 이벤트들과 연관되는 신호들을 검출하기 위해 상기 측정 신호들을 처리하기 위한 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 스파크 또는 캐스케이드 방전의 신호 특성을 검출하기 위해 신호들, 즉, 비교적 강렬하고, 냉각에 기인한 램프 다운이 후속되는 신속한 가열에 기인하는 특유의 주파수 또는 주파수의 확산 및/또는 신속한 스파이크를 가능하게 가진, 짧은 기간 음향 신호들을 분석할 수 있다.

사용 시에, 제 1 및 제 2 전극들에 전위차를 인가하기 위한 회로가 시간에 걸쳐 인가된 전위차를 조절하기 위해 배열될 수 있다.

전위차는 주기적으로 턴 오프되거나 또는 이온화 이벤트에 응하여 하전 입자들의 캐스케이드를 야기하기에 불충분한 낮은 레벨로 감소될 수 있다. DAS 센서가 이온화 이벤트들에 의해 생성되는 외란뿐만 아니라 다른 입사 음향 신호들에 반응할 것임이 이해될 것이다. 이온화 이벤트들에 의해 생성되는 신호들, 즉, 가능하게는 특유의 주파수 또는 주파수의 확산을 가진, 냉각에 기인하는 베이스라인(baseline)으로 다시 더 느린 램프로 후속되는 신속한 가열에 기인하는 검출된 신호의 스파이크 및/또는 비교적 강렬하고, 짧은 기간의 음향 신호들의 특유의 특징은 몇몇의 실시예들에서 임의의 배경 음향 신호로부터 상당히 구별될 수 있다. 이 경우에 이온화 이벤트들에 기인하는 신호들은 쉽게 식별될 수 있고 DAS 센서의 광섬유 상에 입사한 임의의 배경 노이즈 신호들로부터 구별될 수 있다. 그러나 적어도 몇몇의 실시예들에서, 이온화 이벤트들에 기인하는 신호들의 검출을 개선하기 위해 섬유 상에 작용하는 배경 노이즈를 결정하는 것을 원할 수도 있다. 이온화 방사선에 대응하여 임의의 자극을 실질적으로 중단하기 위해 제 1 및 제 2 전극들 사이의 전위차를 주기적으로 감소시켜, 배경 노이즈가 직접 결정될 수 있고 이온화 이벤트에 기인하는 음향 신호들의 차후의 식별에서 사용될 수 있다.

추가로 또는 대안적으로 제 1 및 제 2 전극들 사이의 전위차는 존재하는 임의의 이온화 방사선에 대한 분광 조사를 결정하기 위해 시간에 걸쳐 조절될 수 있다. 전극들 사이의 전위차를 변화시킴으로써 캐스케이드 방전 전에 요구되는 이온화의 양도 또한 변하게 된다. 예를 들어, 비교적 낮은 에너지의 입자는 가스를 통과하면서 몇몇의 가스 분자/원자만을 이온화할 수 있다. 높게 인가된 전위차에 대해, 이것은 몇몇의 이온들/전자들이 애벌런치 증배를 야기하기 위해 가속되기 때문에 하전 입자들의 캐스케이드를 초래할 수 있다. 더 낮게 인가된 전위차에서, 낮은 에너지 입자는 캐스케이드를 생성하기 위해 충분한 이온화된 입자들을 생성할 수 없다. 따라서 전위차를 변화시키고 캐스케이드 방전에 기인하는 검출된 신호들의 수를 모니터링함으로써 방사선의 에너지 콘텐츠에 대한 정보가 결정될 수 있다.

본 발명은 또한 이온화 방사선을 검출하는 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명의 다른 양태에 따르면, 가스 내에 서로로부터 분리된 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계로서, 상기 전위차는 상기 가스의 이온화가 상기 전극들 사이의 하전 입자들의 캐스케이드를 야기하도록 충분한, 상기 전위차 인가 단계와, 분포형 음향 센서를 제공하도록 상기 제 1 및/또는 제 2 전극들에 인접하여 배치된 광섬유를 인테로게이트하는 단계와, 하전 입자들의 캐스케이드와 연관된 신호들에 대한 상기 분포형 음향 센서를 모니터링하는 단계를 포함하는 방사선 검출의 방법이 제공되어 있다.

본 발명의 이 양태의 방법은 제 1 양태와 동일한 모든 이점들 및 장점들을 제공하고 모든 동일한 실시예들로 작동될 수 있다.

일반적으로 본 발명의 실시예들은 서로로부터 이격된 제 1 및 제 2 세장형 전극들 및 상기 제 1 및 제 2 세장형 전극들의 경로를 따라 배치된 감지 광섬유를 포함하는 분포형 음향 센서를 포함하는 분포형 방사선 검출기를 제공한다.

본 발명은 또한 이온화 방사선을 검출하기 위해 2개의 전극들 사이의 스파크에 의해 생성된 신호들을 검출하도록 분포형 음향 센서를 사용하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 이제 다음의 도면들을 참조하여 오직 예로써 설명될 것이다.

도 1은 종래의 분포형 음향 센서를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방사선 검출기의 하나의 실시예를 도시한 도면.
도 3은 복수의 전극 쌍들을 가진 방사선 검출기를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 분포형 방사선 검출기의 하나의 실시예를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 1 케이블 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 케이블 구조를 도시한 도면.
도 7은 중성자를 검출하는데 적절한 하나의 실시예를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방사선 검출기를 사용하는 스펙트로그램 기록을 도시한 도면.
도 9a 및 도 9b는 기록된 스파크 방전의 2배의 시리즈를 도시한 도면들.

본 발명은 분포형 음향 감지 기술들을 이온화 방사선의 검출/모니터링에 적용한다.

도 1은 종래의 분포형 광섬유 감지 장치의 개략도이다. 광섬유(104)의 한 가닥은 인테로게이터(106)에 하나의 단부에서 제거 가능하게 연결된다. 인테로게이터(106)로부터의 생산량은 인테로게이터와 같은 장소에 위치될 수 있거나 또는 인테로게이터로부터 떨어져 있을 수 있는 신호 프로세서(108), 및 선택적으로 사실상 적절하게 명시된 PC에 의해 실현될 수 있는 사용자 인터페이스/그래픽 디스플레이(110)를 지나간다. 사용자 인터페이스는 신호 프로세서와 같은 장소에 위치될 수 있거나 또는 신호 프로세서로부터 떨어져 있을 수 있다.

감지 섬유(104)는 수 킬로미터의 길이일 수 있고 예를 들어, 40km 이상의 길이일 수 있다. 감지 섬유는 섬유 브래그 격자(Bragg grating) 등과 같은 고의로 도입된 반사 위치에 대한 필요 없이 전기 통신 용례들에서 일상적으로 사용되는 바와 같은, 표준, 변경되지 않은 단일 모드의 광섬유일 수 있다. 감지를 제공하기 위해 표준 광섬유의 변경되지 않은 길이를 사용하는 능력은 저비용으로 손쉽게 입수가능한 섬유가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 몇몇의 실시예들에서, 섬유는 입사 진동에 특히 민감하도록 제작되었던 섬유를 포함할 수 있다. 사용시에 섬유(104)는 모니터링될 관심 영역에 배치된다.

작동 시에 인테로게이터(106)는 예를 들어, 감지 섬유 내로 선택된 주파수 패턴을 가진 일련의 광 펄스들을 포함할 수 있는, 인테로게이팅 전자기 방사선을 방출한다. 광 펄스는 단일 인테로게이팅 펄스를 필요로 하는 DAS 센서들이 또한 공지되고 사용될 수 있을지라도, 그 내용이 여기에 참조로써 포함되어 있는, GB 특허 공보 GB2,442,745호에 설명된 바와 같이 주파수 패턴을 가질 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이 용어 "광"은 가시성 스펙트럼으로 제한되지 않고 광 방사선은 적외선 및 자외선을 포함한다는 것을 유념하라. GB2,442,745호에 설명된 바와 같이, 레일리(Rayleigh) 후방 산란 현상은 인테로게이터로 역 산란되는 섬유 내로의 광 입력의 일부 부분을 초래하고, 섬유 부근에 음향/기계적 외란을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 검출된다. 그러므로 인테로게이터는 적어도 하나의 레이저(112) 및 알려진 광 주파수 차이에 의해 분리된 복수의 광 펄스들을 생성하기 위한 적어도 하나의 광 모듈레이터(114)를 편리하게 포함한다. 인테로게이터는 또한 섬유(104) 내의 고유한 산란 위치들로부터 레일리 후방 산란된 방사선을 검출하기 위해 배열된 적어도 하나의 광 검출기(116)를 포함한다. 레일리 후방 산란 DAS 센서는 본 발명의 실시예들에서 매우 유용하지만 브릴루인 또는 라만 산란에 기초하는 시스템들이 또한 공지되어 있고 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있다.

광 검출기로부터의 신호는 신호 프로세서(108)에 의해 처리된다. 신호 프로세서는 예를 들어, GB2,442,745호에 설명된 바와 같이, 광 펄스들 사이의 주파수 차이에 기초하여 복귀된 신호를 편리하게 복조한다. 신호 프로세서는 또한 GB2,442,745호에 설명된 바와 같이 위상 펼침 알고리즘을 적용할 수 있다. 그러므로 광섬유의 다양한 부분들로부터 후방 산란된 광선의 위상이 모니터링될 수 있다. 따라서 굴절률의 변조를 야기하는 광섬유 케이블의 국소적 신속한 가열 또는 섬유 상의 변형을 야기하는 입사 압력파들에 기인하는 바와 같이, 섬유의 소정 부분 내의 유효 광 경로 길이의 임의의 변화가 검출될 수 있다.

광 입력의 형성 및 검출 방법은 단일 연속 섬유가 별개의 길이 방향 감지 부분들 내로 공간적으로 해결되게 한다. 즉, 하나의 감지 부분에서 감지된 음향 신호는 인접한 부분에서 감지된 신호와 관계없이 실질적으로 제공될 수 있다. 이러한 센서는 센서가 광섬유에 고유한 처리된 내재성 산란을 사용하고 따라서 광섬유의 전체에 걸쳐 감지 기능을 분포시키기 때문에, 완전히 분포되거나 또는 내재성 센서로서 보일 수 있다. 광섬유의 감지 부분들의 공간 분해능은 예를 들어, 약 10m일 수 있고, 감지 부분은 약 40km의 섬유의 연속 길이에 대해 4000개의 독립 음향 채널들을 제공하거나 또는 40km의 섬유를 따라 배치된다.

DAS는 예를 들어, 주변 모니터링을 위해 많은 환경에서 이용되어왔다. 본 발명의 실시예들은 방사선 검출이 가능한 DAS를 사용한다.

방사선 검출기의 원리는 도 2에 설명될 것이다. 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방사선 검출기의 좌측에 단면도 그리고 우측에 측면도를 도시한다. 도 2는 제 1 전극(201)에 인접한, 도 1에 대해 상술된 바와 같이 감지 광섬유인 광섬유(104)를 나타낸다. 제 1 전극은 제 2 전극(202)으로부터 공기 갭(d)에 의해 분리된다. 전극들(201 및 202)은 임의의 적합한 전도성 전극들, 예를 들어, 전도성 와이어 등일 수 있다. 전극들은 절연 스페이서들(203)과 같은 지지 구조체에 의해 원하는 거리(d)만큼 이격되어 유지되고 사용시 전극들 사이의 공간은 가스로 충전된다. 몇몇의 실시예들에서, 전극들 사이의 갭은 현장 환경에 개방될 수 있고 따라서 사용시 갭은 공기로 충전될 수 있다.

사용시 전위차(V)는 적합한 회로(도 2에 도시되지 않음)에 의해 전극들(201 및 202)에 인가된다. 인가된 전위차는 비교적 높지만 관련 가스, 이 예에서 공기의 파괴 전압 미만이다. 인가된 전위차는 예를 들어, 약 3kV/m(전극들의 분리(d)에 기초하여)일 수 있다. 따라서 이온화 방사선의 부재시 인가된 전위는 가스의 항복 현상을 야기하기에 불충분하다.

그러나 이온화 방사선의 존재 시 이온화 방사선은 가스의 하나 이상의 원자 또는 분자가 이온화되는 이온화 이벤트(204)를 초래할 수 있다. 결과로 초래된 전자 및 이온은 비교적 높은 전위차에 의해 가속될 것이고 애벌런치 증배를 야기할 수 있다. 따라서 하전 입자의 캐스케이드는 전극들로 유동할 수 있다(상대적인 극성에 따라). 사실상 이온화 방사선은 캐스케이드 방전, 예를 들어, 스파크를 초래하도록 충분한 가스 원자/분자를 이온화한다. 이것은 전류의 순간적인 유동을 초래할 것이지만 또한 가스 내의 음향파를 생성할 것이다. 이 음향 자극은 감지 광섬유에 입사될 것이고 상술된 바와 같이 음향 자극으로서 검출될 수 있다.

하전 입자들의 캐스케이드, 즉, 스파크는 스파크 부근의 전극(201)의 가열을 야기할 것이다. 이 열의 적어도 일부는 광섬유(104)로 유동할 수 있고 예를 들어, 광섬유의 굴절률의 변조로부터 경로 길이의 비교적 신속한 변화를 초래할 수 있다. 이것은 갑작스러운 변형이 적용되는 것과 같이 유사한 방식으로 광섬유로부터 측정 신호의 검출할 수 있는 변화를 초래할 수 있다. 가열은 약 10ms와 같이 비교적 신속할 것이다. 섬유는 이어서 잠깐 동안의 기간에 걸쳐 냉각할 것이다. 이 효과는 또한 검출될 수 있는 사전 레벨로 다시 느린 램프에 의해 후속되는 신속화 변화를 가진 DAS 센서로부터 측정 신호의 특유의 특징을 생성할 수 있다. 따라서 음향 압력파에 응답하여 갑작스러운 강한 신호를 검출하는 것에 더하여 또는 대신에, 스파크에 의해 야기되는 신속한 가열에 기인하는 신호가 검출될 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예들은 이온화 방사선의 존재시에 가스 방전 이벤트들에 대해 야기되는 스파크들을 효과적으로 모니터링하기 위해 DAS 센서를 사용한다. 시간에 걸쳐 각각의 감지 부분에서 검출되는 이러한 이벤트들의 수는 광섬유의 각각의 감지 부분에서 이온화 방사선의 양의 지시를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

광섬유(104)에 의해 검출되는 음향 신호를 최대화하기 위해 섬유는 적어도 하나의 전극에 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서 제 2 전극이 광섬유에 연결되도록 위치될 수 있을지라도(205), 광섬유는 전극(201)에 연결되고 전극(202)으로부터 이격되어 있다. 섬유를 전극들 중 하나에 연결하는 것은 또한 스파크에 기인하여 전극으로부터 섬유로 열 전달을 최대화할 것이고 따라서 열 특징을 최대화할 것이다.

스파크로부터 광섬유를 보호하기 위해 광섬유는 코팅(206)(추가의 보호층 또는 광섬유에 대한 정상적인 자켓 물질의 일부일 수 있는) 내에 배치될 수 있다. 코팅(206)은 섬유를 보호하지만 또한 높은 열 확산 또는 전도율과 같은 원하는 열 성질을 제공하도록 선택될 수 있다.

광섬유는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 전극들의 복수의 쌍들에 인접하여 배치될 수 있고, 도 3은 전극들(201a 및 202a)의 제 1 쌍 및 전극들(201b 및 202b)의 제 2 쌍을 지나가는 광섬유를 나타낸다. DAS 센서는 전극 쌍들의 적어도 일부가 다른 감지 부분들에 있도록 배열될 수 있다. 따라서 전극 쌍(201a 및 202a)은 제 1 감지 부분(104a)에 있고 전극 쌍(201b 및 202b)은 제 2 감지 부분(104b)에 있다.

그러나 일부 실시예들에서 전극들(201 및 202)은 약 수백 이상의 미터 길이인 세장형 전극들일 수 있다. 도 4는 광섬유(104)가 광섬유의 상당한 부분을 따라 이어지는 제 1 전극(201) 및 제 2 전극(202)을 갖는 실시예를 나타낸다. 감지 섬유는 상술된 바와 같이 복수의 감지 부분들을 제공하기 위해 인테로게이트될 수 있다. 각각의 감지 부분은 그 감지 부분 내에서 캐스케이드 방전으로부터 초래된 음향 이벤트들을 검출할 것이다. 이 방식으로 다양한 이온화 이벤트들의 위치는 광섬유의 감지 부분들의 공간 분해능 내에서 검출될 수 있다. 상술된 바와 같이 DAS는 4000개의 감지 채널들을 제공하는 약 10m 이상의 공간 감지 부분들을 가진 약 40km 이상의 길이의 광섬유들 상에서 이용될 수 있다.

일련의 위치들에서, 예를 들어, 시설 내에서 방사선 감지를 제공하기 위해, 전도성 와이어(예를 들어, 보통의 구리 와이어 등)와 같은 세장형 전극들을 가진 광섬유가 건물을 통해 원하는 패턴으로 놓일 수 있다. 광섬유 및 전극들은 중요한 위치들을 둘러싸도록 배열될 수 있다. 증가된 민감도가 요구되는 영역들에서 광섬유 및 전극들은 검출의 변화를 최대화하기 위해 복수의 루프들을 갖도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 섬유가 10m 길이의 감지 부분들을 제공하기 위해 인테로게이트되고 적어도 10m 길이의 광섬유의 일부가 소정 위치에서 1m 거리 내에 배열되고 따라서 부분의 효과적인 공간 분해능이 1m인 경우, 섬유 및 전극들은 또한 센서의 효과적인 공간 분해능을 변경하기 위해 패턴으로 배열될 수 있다.

검출되는 방사선의 형태에 따라 광섬유 및 전극들은 플로어들 상에서 또는 아래에서 그리고/또는 천장 공간들을 통해 이어지도록 배열된, 캐비티 벽들과 같은 벽 구조체 내부 또는 벽 구조체에 부착되거나 또는 로브들(rove)에 부착되어 위치될 수 있다.

유사한 길이의 전극들을 가진 대략 수 킬로미터 길이의 단일 섬유는 상당한 커버리지 정도를 제공할 수 있지만 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 단부에 연결될 인테로게이터 유닛(106)을 필요로 한다. 전위차는 또한 도 4에 도시된 바와 같이 적합한 회로(401)에 의해 제 1 및 제 2 전극들의 각각의 하나의 단부에 인가될 수 있다. 따라서 결합된 광섬유 및 전극들은 인테로게이터 유닛(106)과 회로(401)를 수납하는 적합한 제어 룸으로부터 이어질 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예들이 수백 미터 또는 심지어 킬로미터의 길이인 컨덕터들에 인가될 비교적 높은 전위차를 필요로 할 수 있지만, 운반되도록 상당한 전류가 요구되지는 않고 따라서 전력 필요 조건은 비교적 보통이다.

분명히 센서들은 돌발적인 단락을 방지하기 위해 배치되어야하고 회로(401)는 이동되는 상당한 전류를 방지하기 위해 전류 제한 회로를 가질 수 있다.

전극들 및 광섬유는 전극들 및 광섬유를 지지하고 구조적 무결성 및 보호를 제공하는 케이블 구조로 편리하게 형성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 광섬유(104)를 가진 도 2에 도시된 바와 같은 장치는 다공성 물질(502)로 충전될 수 있는 적합한 외부 자켓 물질(501) 내에 위치된 전극들(201 및 202)에 연결되었다. 다공성 물질(502)은 가스가 진입하도록 많은 공동들 또는 갭들을 가진 구조일 수 있다. 다공성 물질은 전극들 사이의 전위차가 이온화 방사선의 존재시 스파크 방전을 허용하기 위해 충분한 구멍들을 가짐으로써 유지되도록 일반적으로 절연성이어야 한다.

자켓 물질은 이온화 방사선을 바람직하게 막지 않아야 하고, 검출하는 것이 바람직하고 따라서 일부 예들에서 알파 입자들과 같은 방사선이 가스에 도달하도록 비교적 얇고 및/또는 천공될 수 있다.

다른 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전극들은 서로 및/또는 광섬유를 적어도 부분적으로 둘러싸는 실질적으로 아치형의 컨덕터들로서 배열될 수 있다.

도 6은 제 2 관형 컨덕터(603)에 의해 둘러싸이는 관형 제 1 컨덕터(602)에 의해 둘러싸인 광섬유(601)를 나타낸다. 광섬유(601)는 스파크 방전에 대해 보호하기 위해 보호 자켓 물질(604)에 의해 보호될 수 있다. 자켓 물질은 바람직한 열 성질, 즉, 광섬유(601)로의 열의 전도를 제공하기 위해, 섬유(601)에 의해 검출된 열 특징을 최대화하기 위해 선택될 수 있다. 제 1 및 제 2 전극들(602 및 603) 사이의 공간(605)은 넓게 비어있을 수 있거나 또는 상술된 바와 같이 다공성 물질로 충전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 케이블 구조체 내의 가스는 환경으로부터 밀봉된다. 이것은 공기에 대해 다른 가스를 사용하게 하고 및/또는 가스가 가압되게 한다. 그러나 다른 실시예들에서, 케이블 구조체의 내부로부터 외부로 예를 들어, 제 2 전극(606) 내의 하나 이상의 구멍들(606)을 통하는 유동 경로가 있다. 구조적 무결성을 유지하기 위해서 하나 이상의 지지 구조체들(607)이 있을 수 있다.

본 발명의 이 양태에 따른 방사선 검출기는 전과 같이 작동하고, 가스에 도달하는 이온화 방사선은 검출될 수 있는 연관된 음향/열 신호를 가진 이온화 이벤트들을 야기할 수 있다. 공기 갭을 둘러싸는 제 2 전극(603)의 존재가 일부 방사선이 가스에 도달하는 것으로부터 예방될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서 방사선 검출기는 본질적으로 특정한 에너지 초과의 이온화 방사선만을 검출할 수 있다. 그러나 다른 실시예들에서 제 2 전극은 방사선에 진입 윈도우를 제공하기 위해 많은 위치들에서 천공될 수 있다.

구조체는 센서 구조체를 보호할 수 있고 및/또는 지나갈 특정한 유형의 이온화 방사선 또는 에너지를 허용하여 추가의 필터링을 제공하기 위해 배열될 수 있는, 적어도 하나의 외부 자켓층(608)을 포함할 수 있다. 그러나 외부 자켓에는 공기 유동을 허용하고 및/또는 방사선을 위한 진입 윈도우를 제공하기 위해 하나 이상의 구멍들(609)이 제공될 수 있다.

코팅 물질은 다른 위치들이 방사선의 다른 유형들/에너지에 민감하도록 케이블 구조체의 길이를 따라 변할 수 있다. 코팅은 다른 감지 부분들이 다르게 응답하도록 섬유의 감지 부분들의 대략적인 길이의 부분들에서 변할 수 있다. 그러나 하나의 실시예에서 공기 갭(605)은 다른 공진 주파수를 제공하기 위해 조절되는 각각의 캐비티의 길이를 가진 케이블 구조체의 길이를 따라 일련의 캐비티들로 분할될 수 있다. 캐비티 내의 스파크는 캐비티의 공진 주파수에서 비교적 강한 구성 요소를 갖는 음향 신호를 생성할 수 있다. 다른 코팅은 다른 캐비티들과의 통신에서 변할 수 있다.

전위차(401)를 인가하기 위한 회로는 또한 시간에 걸쳐 인가된 전위차를 변조하기 위해 배열될 수 있다.

전위차는 주기적으로 턴 오프되거나 또는 이온화 이벤트에 응하여 하전 입자들의 캐스케이드를 야기하기에 불충분한 낮은 레벨로 감소될 수 있다. 이온화 방사선에 응하여 임의의 자극을 실질적으로 정지하기 위해서 제 1 및 제 2 전극들 사이의 전위차를 주기적으로 감소시킴으로써, 배경 노이즈는 직접 결정될 수 있고 이온화 이벤트들에 기인하는 음향 신호들의 차후의 식별에서 사용될 수 있다.

제 1 및 제 2 전극들 사이의 전위차는 또한 어떤 존재하는 이온화 방사선에 대한 분광 정보를 결정하기 위해서 시간에 걸쳐 변조될 수 있다. 전극들 사이의 전위차를 변화시켜, 캐스케이드 방전 전에 요구되는 이온화의 양이 또한 변경된다. 따라서 전위차를 변경하고 캐스케이드 방전에 기인하는 음향 신호들의 수를 모니터링하여, 방사선의 에너지 콘텐츠에 대한 정보가 결정될 수 있다.

상술된 실시예들은 관련 가스를 직접 이온화하는 직접적인 이온화 방사선을 검출할 것이다. 그러나 일부 실시예들에서 검출기 장치는 도 7에 도시된 바와 같이 이차 이온화를 통해 방사선을 검출하기 위해 배열된다. 도 7은 가스의 방향 이온화를 야기할 수 없는, 중성자를 검출하는데 적합한 센서를 나타낸다. 광섬유(104) 및 제 1 및 제 2 전극들(201 및 202) 외에, 장치는 중성자 흡수에 응하여 이온화 방사선을 방출하는 중성자 흡수 물질(703)을 포함할 수 있다. 중성자 흡수 물질은 차폐 물질(701) 내의 공기 갭(702) 옆에 배열된다. 공기 갭은 전극들 사이의 가스를 포함한다. 차폐 물질은 직접적으로 이온화 방사선을 막지만 중성자의 통과를 허용한다. 임의의 입사 중성자는 중성자 흡수 물질(702), 즉, 붕소-10과 같은 높은 중성자 흡수 단면을 가진 물질에 의해 흡수될 수 있고, 중성자 흡수 물질로부터 이온화 방사선의 이차 방출을 초래한다. 이차 이온화 방사선은 가스의 직접적인 이온화를 야기할 수 있고 따라서 이전에 설명된 바와 같이 검출될 수 있는 스파크를 초래할 수 있다.

본 발명의 실시예들의 원리를 설명하기 위해, 아크릴레이트 자켓 물질을 가진 광섬유는 광섬유의 외부층(도 6에 도시된 요소들(601, 604 및 602)과 유사함)으로서 제 1 전극을 형성하기 위해 은(은 DAG 코팅을 사용함)으로 코팅되었다. 섬유/전극 결합은 구리 컨덕터인 제 2 전극 근처에서 공기 내에 배열되었다. 5kV의 전위차는 제 1 및 제 2 전극들 사이에 인가되었고 전극들 사이의 거리는 자발적으로 전기 방전을 야기하는 분리 공간보다 더 큰 분리 공간으로 설정되었다. 즉, 전극들은 섬유 주위의 전기장이 공기의 파괴 전압 미만에 있도록 배열되었다. 실험적인 배열에서, 전극들 사이의 분리 공간은 약 3mm이었다.

Am 241의 0.9μCi 소스는 5.5MeV의 알파 방사선을 공급하기 위해 사용되었다. 소스가 섬유 근처의 강한 전기장 부근에 있을 때, 알파 입자들의 이온화 트레일들은 전기 방전을 트리거링하는데 충분하다. 소스의 거리 및 각은 방전율이 낮게 유지되도록 유지된다.

광섬유는 분포형 음향 감지 인테로게이터 유닛을 사용하여 인테로게이트되었다. DAS 인테로게이트 유닛은 반복적으로 섬유 내로부터 레일리 후방 산란되고 연속적인 인테로게이션 사이의 강한 변화에 기초하여 측정 신호를 생성하는 검출된 방사선 및 광 방사선의 단일 펄스를 가진 섬유를 인테로게이트한다.

도 8은 이온화 방사선 유도된 스파크 방전에 노출되는 섬유로부터 취해진 3분 기록의 스펙트럼 사진을 나타낸다. 기록 중 106초 및 165초에서, 구리 컨덕터는 섬유에 매우 가깝게 있고, 연속적인 자발적인 전기 방전을 야기한다. 주파수 801이 적힌 스파이크는 따라서 이러한 연속적인 방전을 초래한다.

그러나 스펙트럼 사진에서 복수의 다른 스파이크들이 있고, 802로 적힌 적어도 몇몇은 방사선 유도된 방전에 기인한다는 것을 알 수 있다.

따라서 하전 입자들의 방사선 유도된 캐스케이드에 의해 생성된 외란이 명백히 분포형 음향 센서로부터의 신호 복귀에서 검출될 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 일반적인 스파크 방전으로부터의 시간 시리즈 데이터를 나타낸다. 도면들은 시간에 대한 소정의 감지 채널로부터 검출된 후방 산란된 광선의 전력/강도를 나타내고, 연속적인 샘플들은 2.5kHz의 샘플 비율에서 획득된다. 베이스라인으로 다시 더 느린 램프에 의해 검출된 후방 산란의 강도의 분명한 신속한 변화가 있다는 것을 알 수 있다.

절반 최대 시간이 약 10ms로 상승하고 감쇠 시간 상수는 약 0.5초이다. 이 스파크 특징은 열 입력으로부터 대부분 유래되고, 즉, 최대 빠른 가열이 실온에서 다시 느린 감쇠에 의해 후속된다는 것을 알 수 있다. 가열을 위한 10ms 쯤의 기간은 광섬유의 중앙에 도달하기 위해 즉각적인 에너지 펄스의 열 확산을 위해 예상될 수 있는 기간과 일치하다. 열은 섬유를 따라 전도될 것이지만, 전체 팽창이 거의 동일하게 유지되기 때문에(열 팽창 및 온도 변화 둘 다는 제 1 근사치에 대해 선형임) 상당히 신호의 진폭을 변화시키지 않아야한다.

냉각에 관해서, 열은 전도/대류에 의한 그리고 방사에 의한 공기로의 손실에 의해 환경으로 손실될 것이다. 테스트는 수백 마이크로 초 동안 가열 소스를 사용하여 가열하고, 섬유가 냉각되는 시간에 걸쳐 주파수 변화를 관찰함으로써 코팅된 섬유에서 실행되었다. 수 초의 냉각 기간이 관찰되었다. 따라서 스파크 방전에 대해 검출된 시간 시리즈는 방전에 기인한 광섬유의 가열 및 냉각과 일치한다.

따라서 이온화 방사선에 의해 야기된 2개의 전극들 사이의 방전이 전극들 부근에 위치되고, 바람직하게는 전극들 상에 적어도 연결되는 광섬유 상의 분포형 음향 감지 기술들을 사용하여 검출될 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 다양한 실시예들에 대해 설명되었다. 달리 명백히 언급되지 않는다면, 설명된 다양한 특징들은 함께 결합될 수 있고 하나의 실시예로부터의 특징들은 다른 실시예들에서 이용될 수 있다.

상술된 실시예들은 본 발명은 제한한다기 보다는 설명하고, 기술분야의 숙련자들은 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고서 많은 대안적인 실시예들을 설계할 수 있을 것임을 유념해야한다. 단어 "포함하는"은 청구항에서 나열된 것들과 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정 관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않고, 단일 특징 또는 다른 유닛은 청구항들에서 언급된 몇몇의 유닛들의 기능을 실행할 수 있다. 청구항들에서 참조 부호들 또는 라벨들은 본 발명의 범위를 제한하도록 해석되어서는 안 된다.

Claims (40)

1. 방사선 검출기 장치로서,
   제 2 전극으로부터 이격된 적어도 하나의 제 1 전극과 인접한, 분포형 광섬유 음향/진동 감지에 적합한 적어도 하나의 광섬유를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이는 가스가 구비되는 방사선 검출기 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전위차를 인가하기 위한 회로를 포함하는 방사선 검출기 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 인가된 전위차는 가스의 이온화된 원자/분자의 존재가 애벌런치 증배(avalanche multiplication)를 야기하도록 충분히 높은 방사선 검출기 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 길이를 따라 간격만큼 이격된 복수의 전극 쌍들을 포함하고, 각각의 전극 쌍은 제 1 및 제 2 전극들을 포함하는 방사선 검출기 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 상기 광섬유의 상기 길이의 적어도 일부에 대해 연장하는 세장형 전극들인 방사선 검출기 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 100m 초과의 길이인 방사선 검출기 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 1km 초과의 길이인 방사선 검출기 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는 상기 제 1 또는 제 2 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 방사선 검출기 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 광섬유는 상기 제 1 전극에 부착되는 방사선 검출기 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는 이온화 방사선의 존재시에 발생하는 전기 방전으로부터 상기 광섬유를 보호하기 위해 코팅 또는 장벽층을 포함하는 방사선 검출기 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는 이온화 방사선에 기인한 손상으로부터 상기 광섬유를 보호하기 위해 코팅 또는 장벽층을 포함하는 방사선 검출기 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는 상기 광섬유를 보호하기 위해 코팅 또는 장벽층을 포함하고, 상기 제 1 및/또는 제 2 전극은 상기 광섬유를 가진 케이블 구조체 내에 배열되는 방사선 검출기 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 상기 전극들 사이에 가스를 허용하기 위해 다공성 물질에 의해, 적어도 일부의 섹션들에서 분리되는 방사선 검출기 장치.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 가스로 충전될 수 있는 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이의 적어도 하나의 공동이 있는 방사선 검출기 장치.
15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 사용 시에 가스를 포함하는 일련의 캐비티들 속으로 퍼지는 방사선 검출기 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 캐비티들은 특정한 공진 주파수를 야기하는 크기를 갖도록 배열되는 방사선 검출기 장치.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들 중 적어도 하나는 전도성 와이어를 포함하는 방사선 검출기 장치.
18. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 전극은 아치형 단면을 가진 컨덕터를 포함하는 방사선 검출기 장치.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 튜브로서 형성되는 방사선 검출기 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 상기 광섬유를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되는 방사선 검출기 장치.
21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들을 분리하는 상기 가스는 공기인 방사선 검출기 장치.
22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 밀봉된 환경 내에 배열되는 방사선 검출기 장치.
23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 이온화 방사선에 대한 입사 방향과 상기 제 1 및 제 2 전극들을 분리하는 상기 가스 사이에 적어도 하나의 장벽층을 포함하는 방사선 검출기 장치.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 장벽층은 특정한 유형의 이온화 방사선을 필터링하도록 조정되는 성질을 갖는 방사선 검출기 장치.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 장벽층은 상기 전극들 및 광섬유의 길이를 따라 변하는 방사선 검출기 장치.
26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기 장치는 2차 이온화를 통해 방사선을 검출하도록 구성되는 방사선 검출기 장치.
27. 제 26 항에 있어서, 이온화 방사선을 방출하여 입사 방사선에 대해 반응하는 물질을 포함하는 방사선 검출기 장치.
28. 제 27 항에 있어서, 중성자 흡수에 대응하여 이온화 방사선을 방출하는 중성자 흡수 물질을 포함하는 방사선 검출기 장치.
29. 제 28 항에 있어서, 상기 센서의 적어도 일부에 걸쳐, 다른 형태의 이온화 방사선을 실질적으로 막거나 또는 감소시키는 차폐층을 포함하는 방사선 검출기 장치.
30. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유는 상기 전극으로부터 상기 광섬유로의 효율적인 열 전달을 허용하기 위해 상기 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 방사선 검출기 장치.
31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유 상에서 분포형 음향 감지를 실행하기 위한 상기 광섬유에 연결된 인테로게이터(interrogator) 유닛 및 상기 제 1 및 제 2 전극들에 상기 전위차를 인가하기 위한 회로를 포함하는 방사선 검출기 장치.
32. 제 31 항에 있어서, 상기 인테로게이터 유닛은 상기 광섬유 내로 인테로게이팅 광 방사선을 방출하고 또한 상기 섬유 내로부터 후방 산란되는 광 방사선을 검출하도록 구성되는 방사선 검출기 장치.
33. 제 32 항에 있어서, 상기 인테로게이터 유닛은 광섬유의 복수의 감지 부분들의 각각에 대한 측정 신호를 생성하기 위해 상기 검출된 후방 산란된 방사선을 처리하도록 구성되고, 상기 측정 신호는 상기 감지 부분에 의해 검출되는 상기 신호들을 나타내는 방사선 검출기 장치.
34. 제 33 항에 있어서, 이온화 이벤트들과 연관된 신호들을 검출하도록 상기 측정 신호들을 처리하기 위한 프로세서를 포함하는 방사선 검출기 장치.
35. 제 31 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들에 상기 전위차를 인가하기 위한 상기 회로는 시간에 걸쳐 상기 인가된 전위차를 조절하도록 구성되는 방사선 검출기 장치.
36. 제 35 항에 있어서, 상기 전위차는 주기적으로 턴 오프되거나(turned off) 또는 이온화 이벤트에 대응하여 하전 입자들의 캐스케이드를 야기하기에 불충분한 낮은 레벨로 감소되는 방사선 검출기 장치.
37. 제 35 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이의 상기 전위차는 존재하는 임의의 이온화 방사선에 대한 분광 정보를 결정하기 위해 시간에 걸쳐 조절되는 방사선 검출기 장치.
38. 방사선 검출 방법으로서,
    가스 내에 서로로부터 분리된 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계로서, 상기 전위차는 상기 가스의 이온화가 상기 전극들 사이의 하전 입자들의 캐스케이드를 야기하도록 충분한, 상기 전위차 인가 단계와; 분포형 음향 센서를 제공하도록 상기 제 1 및/또는 제 2 전극들에 인접하여 배치된 광섬유를 인테로게이트하는 단계 및; 하전 입자들의 캐스케이드와 연관된 신호들에 대한 상기 분포형 음향 센서를 모니터링하는 단계를 포함하는 방사선 검출 방법.
39. 서로로부터 이격되는 제 1 및 제 2 세장형 전극들, 및 상기 제 1 및 제 2 세장형 전극들의 경로를 따라 배치된 감지 광섬유를 포함하는 분포형 음향 센서를 포함하는 분포형 방사선 검출기.
40. 이온화 방사선을 검출하기 위해 2개의 전극들 사이의 스파크에 의해 생성된 음향 신호들을 검출하기 위한 분포형 음향 센서의 사용.

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