MD412Z

MD412Z - Senzor interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante

Info

Publication number: MD412Z
Application number: MDS20110013A
Authority: MD
Inventors: Ion Culeac; Iurie Nistor; Mihail Iovu; Artur Buzdugan; Petru Petrenko; Viorel CIORNEA; Andrei Andrieş
Original assignee: Inst De Fizica Aplicata Al Academiei De Stiinte A Moldovei
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-03-31
Also published as: MD412Y

Abstract

Invenţia se referă la optoelectronică, în special la dispozitive cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante, care pot fi aplicate pentru înregistrarea şi măsurarea intensităţii radiaţiei ionizante în cercetări ştiinţifice, medicină, industrie.Senzorul interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante 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, totodată fibra optică din braţul de măsurare este dotată cu un dispozitiv pentru răcire şi stabilizarea temperaturii. Fotoreceptorul este conectat la un procesor pentru formarea semnalului de ieşire, univoc determinat de intensitatea radiaţiei ionizante direcţionate pe suprafaţa laterală a fibrei optice din braţul de măsurare. Senzorul conţine în calitate de bloc de formare a semnalului de ieşire un calculator, prevăzut cu un soft pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire.Rezultatul invenţiei constă în mărirea substanţială a sensibilităţii de înregistrare a radiaţiei ionizante şi a diapazonului dinamic.

Description

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.

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].

Dezavantajul acestui dispozitiv este sensibilitatea redusă şi diapazonul dinamic mic.

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].

Dezavantajul acestui dispozitiv constă în sensibilitatea joasă şi influenţa puternică a câmpurilor electromagnetice.

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].

Dezavantajul acestei soluţii tehnice constă în sensibilitatea joasă de înregistrare a radiaţiei ionizante.

Problema pe care o rezolvă invenţia este mărirea sensibilităţii de înregistrare a radiaţiei ionizante şi lărgirea diapazonului dinamic.

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.

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]:

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.

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:

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]:

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.

Invenţia se explică prin desenele din figurile 1…4, care reprezintă:

- fig. 1, schema senzorului;

- fig. 2, dependenţa de temperatură a capacităţii termice specifice a sticlei de cuarţ;

- fig. 3, imaginea de interferenţă înregistrată de fotoreceptorul CCD la ieşirea din cuplorul de fibră optică;

- fig. 4, algoritmul pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire.

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.

Senzorul interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante funcţionează în felul următor.

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.

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.

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:

.

[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].

Algoritmul pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire este ilustrat în fig. 4:

1. Se memorizează imaginea curentă Ik (12);

2. Se scanează pe direcţie perpendiculară imaginea curentă Ik cu obţinerea graficului 2D al franjelor de interferenţă (13);

3. Se filtrează numeric graficul 2D obţinut (14);

4. Se aplică prima derivată care permite găsirea coordonatei maximurilor P ale franjelor de interferenţă (15);

5. Se află distanţa medie dintre franje şi, respectiv, scara reală 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);

7. Se afişează rezultatul pe display (18).

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

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

Claims

1. Senzor interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante care 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, caracterizat prin aceea că fibra optică din braţul de măsurare este prevăzută cu un dispozitiv pentru răcire şi stabilizarea temperaturii.

2. Senzor interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiaţiei ionizante, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că blocul de formare a semnalului de ieşire constituie un calculator prevăzut cu un soft pentru procesarea imaginii de interferenţă şi formarea semnalului de ieşire.