Invenţia se referă la optoelectronică, în special la dispozitivele cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante, care pot fi aplicate pentru înregistrarea şi măsurarea intensităţii radiaţiei ionizante în cercetări ştiinţifice, medicină, industrie. The invention relates to optoelectronics, in particular to fiber optic devices for recording ionizing radiation, which can be applied for recording and measuring the intensity of ionizing radiation in scientific research, medicine, industry.

Este cunoscut un senzor cu fibră optică, în care este folosit efectul de fotoîntunecare a unei fibre optice la acţiunea radiaţiei ionizante. Ca rezultat al efectului de fotoîntunecare, în sticla de cuarţ are loc formarea centrelor de culoare, ceea ce duce la creşterea coeficientului de absorbţie a luminii de probă care se propagă prin fibra optică. Intensitatea semnalului de ieşire este pusă în corelaţie cu intensitatea radiaţiei ionizante direcţionate pe suprafaţa laterală a fibrei optice [1]. A fiber optic sensor is known, in which the photodarkening effect of an optical fiber under the action of ionizing radiation is used. As a result of the photodarkening effect, color centers are formed in the quartz glass, which leads to an increase in the absorption coefficient of the sample light propagating through the optical fiber. The intensity of the output signal is correlated with the intensity of ionizing radiation directed onto the lateral surface of the optical fiber [1].

Dezavantajul acestui dispozitiv este sensibilitatea redusă şi diapazonul dinamic mic. The disadvantage of this device is its low sensitivity and small dynamic range.

Este cunoscut, de asemenea, un dispozitiv pentru înregistrarea radiaţiei ionizante, care conţine o fibră optică bifurcată în două fibre optice identice, la capetele de ieşire ale acestor fibre este poziţionat câte un fotoreceptor care înregistrează intensitatea radiaţiei de probă, transmisă de fiecare din cele două fibre optice. Fotoreceptorii sunt conectaţi în schema electronică diferenţiată, care amplifică diferenţa semnalelor acestor două receptoare. Radiaţia gamma acţionează asupra fibrei optice din braţul de măsurare, iar fotodiodele înregistrează intensitatea luminii de probă, care este univoc determinată de intensitatea radiaţiei gamma ce acţionează pe fibra optică [2]. A device for recording ionizing radiation is also known, which contains an optical fiber bifurcated into two identical optical fibers, at the output ends of these fibers is positioned a photoreceptor that records the intensity of the sample radiation, transmitted by each of the two optical fibers. The photoreceptors are connected in the differential electronic circuit, which amplifies the difference of the signals of these two receptors. The gamma radiation acts on the optical fiber in the measuring arm, and the photodiodes record the intensity of the sample light, which is uniquely determined by the intensity of the gamma radiation acting on the optical fiber [2].

Dezavantajul acestui dispozitiv constă în sensibilitatea joasă şi influenţa puternică a câmpurilor electromagnetice. The disadvantage of this device is its low sensitivity and strong influence of electromagnetic fields.

Cea mai apropiată soluţie este interferometrul, în care un fascicul de lumină coerentă de la o sursă laser este direcţionat printr-un divizor de fascicul, apoi se propagă prin braţele unui interferometru Mach-Zehnder formate de două fibre optice monomod. Fasciculele care au parcurs braţele interferometrului sunt suprapuse la ieşire prin intermediul unui divizor de fascicul secund, formând astfel imaginea de interferenţă, care este proiectată pe suprafaţa de recepţie a unei fotodiode. Schimbarea indicelui de refracţie al fibrei optice de pe braţul de măsurare al interferometrului determină interferenţa semnalului de ieşire. Modificarea indicelui de refracţie datorită acţiunii radiaţiei poate fi detectată prin convertirea semnalului optic în curent electric cu ajutorul unui fotodetector [3]. The closest solution is the interferometer, in which a coherent beam of light from a laser source is directed through a beam splitter, then propagates through the arms of a Mach-Zehnder interferometer formed by two single-mode optical fibers. The beams that have traveled through the arms of the interferometer are superimposed at the output by means of a second beam splitter, thus forming the interference image, which is projected onto the receiving surface of a photodiode. The change in the refractive index of the optical fiber on the measuring arm of the interferometer determines the interference of the output signal. The change in the refractive index due to the action of radiation can be detected by converting the optical signal into an electrical current using a photodetector [3].

Dezavantajul acestei soluţii tehnice constă în sensibilitatea joasă de înregistrare a radiaţiei ionizante. The disadvantage of this technical solution lies in the low sensitivity of recording ionizing radiation.

Problema pe care o rezolvă invenţia este mărirea sensibilităţii de înregistrare a radiaţiei ionizante şi lărgirea diapazonului dinamic. The problem that the invention solves is increasing the sensitivity of recording ionizing radiation and widening the dynamic range.

Dispozitivul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine o sursă de lumină coerentă, conectată cu un divizor de fascicul, cuplat cu braţele unui interferometru Mach-Zehnder cu fibră optică, care sunt recombinate prin intermediul unui cuplor de fibră optică pentru formarea imaginii de interferenţă pe suprafaţa fotosensibilă a unui fotoreceptor conectat la blocul de formare a semnalului de ieşire. Fibra optică din braţul de măsurare este prevăzută cu un dispozitiv pentru răcire şi stabilizarea temperaturii. Blocul de formare a semnalului de ieşire constituie un calculator prevăzut cu un soft pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire. The device, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a coherent light source, connected to a beam splitter, coupled to the arms of a fiber optic Mach-Zehnder interferometer, which are recombined by means of a fiber optic coupler to form the interference image on the photosensitive surface of a photoreceptor connected to the output signal formation block. The optical fiber in the measurement arm is provided with a device for cooling and temperature stabilization. The output signal formation block constitutes a computer provided with software for processing the interference image and forming the output signal.

Rezultatul invenţiei constă în mărirea substanţială a sensibilităţii de înregistrare a radiaţiei ionizante şi a diapazonului dinamic. Rezultatul invenţiei se datorează faptului că fibra optică din braţul de măsurare este dotată cu un dispozitiv pentru răcire şi stabilizarea temperaturii. La răcirea fibrei optice are loc micşorarea capacităţii termice specifice a sticlei de cuarţ. În urma absorbţiei unei părţi de energie a fasciculului de radiaţie ionizantă Eabs în fibra optică se degajă o cantitate de căldură ΔQ, ceea ce duce la creşterea temperaturii în segmentul de fibră optică supus iradierii. Valoarea ΔT de creştere a temperaturii este invers proporţională cu capacitatea termică specifică a sticlei de cuarţ c şi poate fi exprimată în felul următor [F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. D. Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo and M Salvato. Detection of x rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied Optics, 1993, vol. 32, p. 1229-1233]: The result of the invention consists in a substantial increase in the sensitivity of recording ionizing radiation and the dynamic range. The result of the invention is due to the fact that the optical fiber in the measuring arm is equipped with a device for cooling and stabilizing the temperature. When the optical fiber is cooled, the specific thermal capacity of the quartz glass decreases. Following the absorption of a part of the energy of the ionizing radiation beam Eabs in the optical fiber, an amount of heat ΔQ is released, which leads to an increase in the temperature in the optical fiber segment subjected to irradiation. The value ΔT of the temperature increase is inversely proportional to the specific thermal capacity of the quartz glass c and can be expressed as follows [F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. D. Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo and M Salvato. Detection of x rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied Optics, 1993, vol. 32, p. 1229-1233]:

unde Eabs este cantitatea de energie a radiaţiei ionizante care este absorbită în segmentul de fibră optică iradiat; η - partea din energia totală absorbită în fibra optică Eabs care este transformată în căldură, η = ΔQ/Eabs; d - diametrul miezului fibrei optice monomod; l - lungimea segmentului de fibră optică iradiat; ρ - densitatea specifică a sticlei de cuarţ; c - capacitatea termică specifică a sticlei de cuarţ. where Eabs is the amount of energy of ionizing radiation that is absorbed in the irradiated optical fiber segment; η - the part of the total energy absorbed in the optical fiber Eabs that is converted into heat, η = ΔQ/Eabs; d - the diameter of the core of the single-mode optical fiber; l - the length of the irradiated optical fiber segment; ρ - the specific density of the quartz glass; c - the specific heat capacity of the quartz glass.

Creşterea temperaturii ΔT în fibra optică din braţul de măsurare duce la majorarea distanţei optice parcurse de unda electromagnetică în braţul de măsurare şi, respectiv, la creşterea diferenţei de fază între unda din braţul de măsurare şi braţul de referinţă. La micşorarea capacităţii termice specifice a sticlei de cuarţ aceeaşi cantitate de căldură ΔQ absorbită de fibra optică duce la o creştere mai mare a temperaturii ΔT: The increase in temperature ΔT in the optical fiber in the measuring arm leads to an increase in the optical distance traveled by the electromagnetic wave in the measuring arm and, respectively, to an increase in the phase difference between the wave in the measuring arm and the reference arm. When the specific heat capacity of the quartz glass decreases, the same amount of heat ΔQ absorbed by the optical fiber leads to a greater increase in temperature ΔT:

ΔT= ΔQ/c. ΔT= ΔQ/c.

Variaţia de fază în fibra optică monomod, care este produsă de absorbţia aceleiaşi cantităţi de căldură ΔQ este mai mare în cazul când fibra optică se află la o temperatură mai joasă [F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. D. Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo and M Salvato. Detection of x rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied Optics, 1993, vol. 32, p. 1229-1233]: The phase variation in single-mode optical fiber, which is produced by the absorption of the same amount of heat ΔQ, is greater when the optical fiber is at a lower temperature [F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. D. Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo and M Salvato. Detection of x rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied Optics, 1993, vol. 32, p. 1229-1233]:

unde c este capacitatea termică specifică a sticlei de cuarţ; - coeficientul termic al indicelui de refracţie; l - lungimea segmentului de fibră iradiat; ΔT - creşterea temperaturii în urma absorbţiei energiei ionizante Eabs; - coeficientul de dilatare termică al sticlei de cuarţ. where c is the specific heat capacity of the quartz glass; - the thermal coefficient of the refractive index; l - the length of the irradiated fiber segment; ΔT - the temperature increase following the absorption of ionizing energy Eabs; - the thermal expansion coefficient of the quartz glass.

Invenţia se explică prin desenele din figurile 1…4, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in figures 1...4, which represent:

- fig. 1, schema senzorului; - Fig. 1, sensor diagram;

- fig. 2, dependenţa de temperatură a capacităţii termice specifice a sticlei de cuarţ; - Fig. 2, temperature dependence of the specific heat capacity of quartz glass;

- fig. 3, imaginea de interferenţă înregistrată de fotoreceptorul CCD la ieşirea din cuplorul de fibră optică; - Fig. 3, the interference image recorded by the CCD photoreceptor at the output of the fiber optic coupler;

- fig. 4, algoritmul pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire. - Fig. 4, the algorithm for processing the interference image and forming the output signal.

Senzorul constă din: 1 - sursă de lumină coerentă; 2 - capătul de intrare al divizorului de fibră optică; 3 - divizor de fascicul de 3 dB; 4 - fibră optică monomod din braţul de măsurare; 5 - fibră optică monomod din braţul de referinţă; 6 - cuplor 2x1 de fibră optică de 3 dB; 7 - segment de fibră optică la ieşire din cuplor; 8 - fotoreceptor CCD; 9 - blocul de formare a semnalului de ieşire; 10 - dispozitiv pentru răcirea şi stabilizarea temperaturii fibrei optice din braţul de măsurare; 11 - radiaţia ionizantă; 13 - scanarea pe direcţie perpendiculară a imaginii curente Ik şi obţinerea graficului 2D al franjelor de interferenţă; 14 - filtrarea numerică a graficului 2D; 15 - aplicarea primei derivate şi găsirea coordonatei maximurilor P ale franjelor; 16 - determinarea distanţei medii dintre franje şi scara reală Sm; 17 - alegerea a 3 maximuri consecutive şi calcularea distanţei d medii de la origine; 18 - afişarea rezultatului pe display. The sensor consists of: 1 - coherent light source; 2 - input end of the fiber optic splitter; 3 - 3 dB beam splitter; 4 - single-mode optical fiber in the measurement arm; 5 - single-mode optical fiber in the reference arm; 6 - 2x1 3 dB fiber optic coupler; 7 - optical fiber segment at the output of the coupler; 8 - CCD photoreceptor; 9 - output signal formation block; 10 - device for cooling and stabilizing the temperature of the optical fiber in the measurement arm; 11 - ionizing radiation; 13 - scanning in the perpendicular direction of the current image Ik and obtaining the 2D graph of the interference fringes; 14 - numerical filtering of the 2D graph; 15 - applying the first derivative and finding the coordinate of the fringe maxima P; 16 - determining the average distance between the fringes and the real scale Sm; 17 - choosing 3 consecutive maxima and calculating the average distance d from the origin; 18 - displaying the result on the display.

Senzorul interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante funcţionează în felul următor. The fiber optic interferometric sensor for recording ionizing radiation works as follows.

Un fascicul de la sursa de lumină coerentă 1 este injectat în capătul de intrare 2 al divizorului de fascicul 3 de fibră optică ce divizează unda în două fascicule, care se propagă prin fibra optică monomod din braţul de măsurare 4 şi fibra optică monomod din braţul de referinţă 5 al interferometrului Mach-Zehnder. Fasciculele de lumină din braţul de referinţă şi braţul de măsurare sunt recombinate prin intermediul cuplorului 2x1 de fibră optică 6 şi interferă pe suprafaţa fotosensibilă a fotoreceptorului CCD 8. A beam from the coherent light source 1 is injected into the input end 2 of the fiber optic beam splitter 3 which splits the wave into two beams, which propagate through the single-mode optical fiber in the measurement arm 4 and the single-mode optical fiber in the reference arm 5 of the Mach-Zehnder interferometer. The light beams from the reference arm and the measurement arm are recombined by the 2x1 fiber optic coupler 6 and interfere on the photosensitive surface of the CCD photoreceptor 8.

Fotoreceptorul CCD reprezintă un senzor de tip HDCS-1020 CMOS cu dimensiunile unui pixel 7,4x7,4 µm şi dimensiunile imaginii VGA 640x480 pixeli. Fibra optică din braţul de măsurare este amplasată în dispozitivul de răcire 10 cu azot lichid pentru răcirea şi stabilizarea temperaturii la 77 K. Fotoreceptorul CCD 8 este conectat la un bloc 9. Blocul 9 reprezentă un calculator care procesează imaginea de interferenţă pentru determinarea schimbării de fază ΔΘ produse de acţiunea radiaţiei ionizante 11, schimbării dintre faza undei din braţul de măsurare 4 în comparaţie cu faza undei în braţul de referinţă 5 şi formează semnalul de ieşire care este proporţional cu intensitatea radiaţiei ionizante 11. Radiaţia ionizantă este direcţionată pe suprafaţa laterală a fibrei optice din braţul de măsurare. Pentru procesarea imaginii de interferenţă este folosit softul LabVision, care permite de a pune în corelaţie unu-la-unu intensitatea radiaţiei ionizante direcţionate de suprafaţa fibrei optice şi semnalul de ieşire, format prin procesarea şi contorizarea deplasării franjelor de interferenţă. The CCD photoreceptor is a HDCS-1020 CMOS sensor with pixel dimensions of 7.4x7.4 µm and VGA image dimensions of 640x480 pixels. The optical fiber in the measuring arm is placed in the liquid nitrogen cooling device 10 for cooling and stabilizing the temperature at 77 K. The CCD photoreceptor 8 is connected to a block 9. Block 9 represents a computer that processes the interference image to determine the phase shift ΔΘ produced by the action of ionizing radiation 11, the change between the phase of the wave in the measuring arm 4 compared to the phase of the wave in the reference arm 5 and forms the output signal that is proportional to the intensity of ionizing radiation 11. The ionizing radiation is directed onto the lateral surface of the optical fiber in the measuring arm. For processing the interference image, LabVision software is used, which allows for a one-to-one correlation between the intensity of ionizing radiation directed by the surface of the optical fiber and the output signal, formed by processing and counting the displacement of the interference fringes.

Fibra optică monomod din braţul de referinţă are profilul indicelui de referinţă parabolic, diametrul miezului de 8 µm şi lungimea de 5 m. Capacitatea termică specifică a sticlei de cuarţ la temperatura camerei este de 703 J/kg·K. Pentru temperatura de 100K capacitatea termică specifică a sticlei de cuarţ este de Cv ~ 300 J/kgK. Răcirea fibrei optice de la temperatura de 300K până la temperatura de 100K duce la micşorarea capacităţii termice specifice, de aici rezultă că absorbţia uneia şi aceleiaşi cantităţi de căldură la temperatura de 100K duce la creşterea temperaturii locale ΔT în comparaţie cu iradierea la temperatura de 300K: The single-mode optical fiber in the reference arm has a parabolic reference index profile, a core diameter of 8 µm and a length of 5 m. The specific heat capacity of quartz glass at room temperature is 703 J/kg K. For a temperature of 100K the specific heat capacity of quartz glass is Cv ~ 300 J/kg K. Cooling the optical fiber from 300K to 100K leads to a decrease in the specific heat capacity, hence the absorption of the same amount of heat at 100K leads to an increase in the local temperature ΔT compared to irradiation at 300K:

. .

[J. Horbach, W. Kob, K. Binder, S. Weg. Specific heat of amorphous silica within the harmonic approximation. J. Phys. Chem. B, 1999, vol. 103 nr. 20, p. 4104-4108]. [J. Horbach, W. Kob, K. Binder, S. Weg. Specific heat of amorphous silica within the harmonic approximation. J. Phys. Chem. B, 1999, vol. 103 no. 20, p. 4104-4108].

Algoritmul pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire este ilustrat în fig. 4: The algorithm for processing the interference image and forming the output signal is illustrated in Fig. 4:

1. Se memorizează imaginea curentă Ik (12); 1. The current image Ik (12) is stored;

2. Se scanează pe direcţie perpendiculară imaginea curentă Ik cu obţinerea graficului 2D al franjelor de interferenţă (13); 2. The current image Ik is scanned in a perpendicular direction, obtaining the 2D graph of the interference fringes (13);

3. Se filtrează numeric graficul 2D obţinut (14); 3. The obtained 2D graph is numerically filtered (14);

4. Se aplică prima derivată care permite găsirea coordonatei maximurilor P ale franjelor de interferenţă (15); 4. The first derivative is applied which allows finding the coordinate of the P maxima of the interference fringes (15);

5. Se află distanţa medie dintre franje şi, respectiv, scara reală Sm (16); 5. Find the average distance between the fringes and, respectively, the real scale Sm (16);

6. Se aleg 3 maximuri consecutive şi se află distanţa lor (reală) d medie de la origine, ceea ce în realitate reprezintă deplasarea franjelor de interferenţă (17); 6. Choose 3 consecutive maxima and find their (real) average distance d from the origin, which in reality represents the displacement of the interference fringes (17);

7. Se afişează rezultatul pe display (18). 7. The result is shown on the display (18).

1. Stanley Kronenberg and Carl R. Siebentritt. Fiber optics dosimetry. Nuclear Instruments and Methods, september 1980, vol. 175, p. 109-111 1. Stanley Kronenberg and Carl R. Siebentritt. Fiber optics dosimetry. Nuclear Instruments and Methods, September 1980, vol. 175, p. 109-111

2. T. P. Yanukovich and K. V. Kurilo. Radiation sensors based on optic fibers. Journal of Optical Technology, 2004, vol. 71, p. 628-630 2. T. P. Yanukovich and K. V. Kurilo. Radiation sensors based on optical fibers. Journal of Optical Technology, 2004, vol. 71, p. 628-630

3. F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. D. Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo and M Salvato. Detection of x rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied Optics, 1993, vol. 32, p. 1229-1233 3. F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. D. Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo and M. Salvato. Detection of x rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied Optics, 1993, vol. 32, p. 1229-1233