RU154082U1

RU154082U1 - MULTI-CHANNEL FIBER-OPTIMIZED DOSIMETRIC SYSTEM

Info

Publication number: RU154082U1
Application number: RU2015111164/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Новиков; Алексей Аркадьевич Черторийский; Алексей Валентинович Беринцев; Вячеслав Викторович Светухин; Александр Сергеевич АЛЕКСЕЕВ
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Многоканальная оптоволоконная дозиметрическая система, включающая в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, расположенного в виде нескольких витков по окружности отверстия в корпусе сенсорного элемента и зафиксированного выступами верхней и нижней крышек корпуса, на свободный торец которого нанесено зеркальное отражающее покрытие, а выходной торец соединен посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал с которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения, отличающаяся тем, что дополнительно введены несколько сенсорных элементов на основе полимерных сцинтилляционных волокон, каждый из которых посредством транспортного оптического волокна соединен с отдельным входом дополнительного многоканального оптического коммутатора, управляемого с помощью микроконтроллерной системы, выход которого соединен с входом фотоприемника.A multichannel fiber-optic dosimetric system that includes a sensor element based on a polymer scintillation fiber located in the form of several turns around the circumference of the hole in the sensor element housing and fixed by the protrusions of the upper and lower housing covers, the free end of which is coated with a reflective coating, and the output end is connected by means of a transport optical fiber with a photodetector, the signal from which is processed using a microcontroller system and It is indicated in the activity values of the ionizing radiation source, characterized in that several sensor elements based on polymer scintillation fibers are additionally introduced, each of which is connected via a transport optical fiber to a separate input of an additional multichannel optical switch controlled by a microcontroller system, the output of which is connected to the input photodetector.

Description

Полезная модель относится к технике регистрации электронного и бета-излучения и может быть использована при создании высокочувствительных детекторов для оптической дозиметрии, в частности в квазираспределенных волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений.The utility model relates to techniques for recording electronic and beta radiation and can be used to create highly sensitive detectors for optical dosimetry, in particular, in quasi-distributed fiber-optic sensors of ionizing radiation.

Известны волоконно-оптические радиационные датчики (Пат. US 5313065) на основе сцинтилляционных волокон, включающие чувствительный элемент в виде одного или нескольких сцинтилляционных волокон, соединенных с транспортным оптическим волокном, подключенным к фотоприемному устройству. При взаимодействии с ионизирующим излучением присутствующие в сцинтилляционных волокнах легирующие примеси испускают видимый свет, попадающий на фотоприемное устройство. Дополнительные усилители, предусмотренные в системе обработки сигнала фотоприемного устройства, проводят усиление и передачу сигнала к устройству в цепи сигнализации, показывающему наличие ионизирующего излучения. Для создания нескольких каналов измерения в предлагаемом волоконно-оптические радиационном датчике использовано несколько независимых фотоприемников со своими системами обработки сигналов, что существенно усложняет конструкцию и повышает ее стоимость.Known fiber optic radiation sensors (US Pat. US 5313065) based on scintillation fibers, comprising a sensing element in the form of one or more scintillation fibers connected to a transport optical fiber connected to a photodetector. When interacting with ionizing radiation, the dopants present in the scintillation fibers emit visible light entering the photodetector. Additional amplifiers, provided in the signal processing system of the photodetector, amplify and transmit the signal to the device in the signaling circuit showing the presence of ionizing radiation. To create several measurement channels in the proposed fiber-optic radiation sensor, several independent photodetectors with their signal processing systems are used, which significantly complicates the design and increases its cost.

Известен радиационно-дозиметрический прибор на основе сцинтилляционных оптических волокон (Пат. US 8183534). В таком приборе для измерения уровней доз ионизирующих излучений использован массив сцинтилляционных оптических волокон. В сцинтилляционных волокнах за счет взаимодействия с излучениями различных типов создается оптическое излучение, которое передается посредством нескольких транспортных оптических волокон в один фотодетектор для преобразования в электрический сигнал. В предлагаемом радиационно-дозиметрическом приборе оптические сигналы от всех сцинтилляционных волокон одновременно измеряются фотодетектором, который представляет собой ПЗС матрицу. Прибор не позволяет отдельно измерять сигналы от каждого сцинтилляционного волокна.Known radiation dosimetric device based on scintillation optical fibers (US Pat. US 8183534). In such a device, an array of scintillation optical fibers was used to measure dose levels of ionizing radiation. In scintillation fibers, due to interaction with radiation of various types, optical radiation is generated, which is transmitted through several transport optical fibers to a single photodetector for conversion into an electrical signal. In the proposed radiation dosimeter device, the optical signals from all scintillation fibers are simultaneously measured by a photodetector, which is a CCD matrix. The device does not allow separate measurement of signals from each scintillation fiber.

Известна оптоволоконная дозиметрическая система (Пат. РФ №138047) включающая в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, соединенного посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения. При этом полимерное сцинтилляционное волокно расположено в несколько витков по окружности отверстия в корпусе сенсорного элемента, сквозь которое проходит исследуемый протяженный источник ионизирующего излучения, и зафиксировано выступами верхней и нижней крышки корпуса сенсорного элемента. Выходной торец полимерного сцинтилляционного волокна соединяется с транспортным оптическим волокном, а на свободный торец сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие. Пространственная селекция регистрируемого ионизирующего излучения обеспечивается металлической блендой, которая является частью корпуса сенсора, располагается выше и ниже витков сцинтилляционного волокна и перекрывает поток ионизирующего излучения от областей исследуемого протяженного источника ионизирующего излучения, расположенных за пределами интересующей области. Данная полезная модель выбрана в качестве прототипа. Недостатками ее является возможность измерения сигнала только от одного сенсорного элемента.A known fiber-optic dosimetric system (US Pat. RF No. 138047) includes a sensor element based on a polymer scintillation fiber connected via a transport optical fiber to a photodetector, the signal of which is processed using a microcontroller system and converted into activity values of an ionizing radiation source. In this case, the polymer scintillation fiber is located in several turns around the circumference of the hole in the sensor element housing, through which the studied extended source of ionizing radiation passes, and is fixed by the protrusions of the upper and lower covers of the sensor element housing. The output end of the polymer scintillation fiber is connected to the transport optical fiber, and a mirror reflective coating is applied to the free end of the scintillation fiber. Spatial selection of the detected ionizing radiation is provided by a metal hood, which is part of the sensor housing, located above and below the turns of the scintillation fiber and blocks the flow of ionizing radiation from the regions of the studied extended source of ionizing radiation located outside the region of interest. This utility model is selected as a prototype. Its disadvantages are the ability to measure the signal from only one sensor element.

Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.To eliminate these shortcomings, this utility model is proposed.

Цель предлагаемой полезной модели: разработать многоканальное волоконно-оптическое устройство для измерения изменений во времени активностей нескольких источников ионизирующего излучения.The purpose of the proposed utility model: to develop a multi-channel fiber-optic device for measuring the changes in time of the activities of several sources of ionizing radiation.

Технический результат: реализация измерений во времени активностей нескольких источников ионизирующего излучения, распределенных в пространстве при помощи нескольких сенсоров и одного измерительного блока.EFFECT: realization of measurements over time of activities of several sources of ionizing radiation distributed in space with the help of several sensors and one measuring unit.

Описание полезной моделиUtility Model Description

Конструкция предлагаемой оптоволоконной дозиметрической системы показана на фиг. 1. Достижение технического результата осуществляется за счет дополнительного введения в систему нескольких (n) сенсорных элементов 1 на основе полимерных сцинтилляционных волокон, каждый из которых посредством транспортного оптического волокна 2 соединен с отдельным входом дополнительного многоканального оптического коммутатора 3, управляемого с помощью микроконтроллерной системы 5. Выход многоканального оптического коммутатора соединен с входом фотоприемника 4. Каждый из сенсорных элементов располагается в активной зоне и находится под действием различных источников ионизирующего излучения. Данные о калибровки каждого сенсорного элемента храняться в микроконтроллерной системе 5 или в персональном компьютере 6 с установленным программным обеспечением для отображения и обработки результатов измерений, подключенному к выходу микроконтроллерной системы.The design of the proposed fiber optic dosimetric system is shown in FIG. 1. The achievement of the technical result is achieved by the additional introduction into the system of several (n) sensor elements 1 based on polymer scintillation fibers, each of which is connected via a transport optical fiber 2 to a separate input of an additional multichannel optical switch 3 controlled by a microcontroller system 5. The output of the multi-channel optical switch is connected to the input of the photodetector 4. Each of the sensor elements is located in the active zone and is located under the influence of various sources of ionizing radiation. Calibration data for each sensor element is stored in the microcontroller system 5 or in a personal computer 6 with installed software for displaying and processing measurement results connected to the output of the microcontroller system.

Конструкция каждого сенсорного элемента 1 оптоволоконной дозиметрической системы показана на фиг.2. В состав сенсорного элемента входят: металлический корпус 7, металлические верхняя и нижняя крышки 8, сцинтилляционное волокно 9 и оптический разъем 10 для подключения транспортного оптического волокна.The design of each sensor element 1 of the fiber optic dosimetric system is shown in figure 2. The composition of the sensor element includes: a metal casing 7, metal upper and lower covers 8, scintillation fiber 9 and optical connector 10 for connecting a transport optical fiber.

Сцинтилляционное волокно 9 расположено витками в круглом отверстии 11 в корпусе 7 и фиксируется верхней и нижней крышками 8. Выходной торец 12 полимерного сцинтилляционного волокна соединен с оптическим разъемом 10, а на свободный торец 13 сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие 14. В верхней и нижней крышке сделаны отверстия 15 заданного диаметра, позволяющего пропустить сквозь сенсор хроматографическую колонку. Отверстие 11 в корпусе имеет диаметр больший, чем диаметр отверстий 15 в крышках. Благодаря этому выступающие сверху и снизу над сцинтилляционным волокном 9 края отверстий 15 играют роль металлической бленды.The scintillation fiber 9 is located in turns in a round hole 11 in the housing 7 and is fixed by the upper and lower covers 8. The output end 12 of the polymer scintillation fiber is connected to the optical connector 10, and a mirror reflective coating 14 is applied to the free end 13 of the scintillation fiber 14. In the upper and lower cover holes 15 of a given diameter are made, allowing a chromatographic column to pass through the sensor. The hole 11 in the housing has a diameter larger than the diameter of the holes 15 in the covers. Due to this, the edges of the holes 15 protruding above and below the scintillation fiber 9 play the role of a metal hood.

Сцинтилляционное волокно 9 в составе сенсорного элемента 1 располагается в непосредственной близости от поверхности источника ионизирующего излучения. Поток бета-излучения от источника попадая на сцинтилляционное волокно преобразуется в видимое оптическое излучение с длиной волны около 0.5 мкм. Часть данного излучения формирует оптический поток, распространяющийся внутри сцинтилляционного волокна в обе стороны. Мощность оптического излучения в сцинтилляционном волокне пропорциональна уровню бета-излучения. Для увеличения доли оптической мощности, поступающей на выходной торец сцинтилляционного волокна, на свободный торец волокна сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие 14.The scintillation fiber 9 in the composition of the sensor element 1 is located in the immediate vicinity of the surface of the ionizing radiation source. The beta radiation flux from the source entering the scintillation fiber is converted into visible optical radiation with a wavelength of about 0.5 μm. Part of this radiation forms an optical stream propagating inside the scintillation fiber in both directions. The power of optical radiation in a scintillation fiber is proportional to the level of beta radiation. To increase the share of optical power supplied to the output end face of the scintillation fiber, a mirror reflective coating 14 is applied to the free end face of the scintillation fiber.

Пространственная селекция регистрируемого бета-излучения обеспечивается металлической блендой. Роль бленды играют выступающие края отверстий 15 в верхней и нижней крышках 8 корпуса 7 сенсорного элемента (Фиг. 2). Бленда располагается выше и ниже сцинтилляционного волокна и перекрывает поток бета-излучения от областей источника, расположенных за пределами интересующей области.Spatial selection of detected beta radiation is provided by a metal hood. The role of the hood is played by the protruding edges of the holes 15 in the upper and lower covers 8 of the housing 7 of the sensor element (Fig. 2). The hood is located above and below the scintillation fiber and blocks the beta radiation flux from the source regions located outside the region of interest.

Как указано в состав дозиметрической системы входят несколько сенсорных элементов одного типа. Однако в общем случае конфигурации сенсорных элементов и их типы могут быть различными.As indicated in the composition of the dosimetry system includes several sensor elements of the same type. However, in the general case, the configuration of the sensor elements and their types can be different.

Для передачи оптического сигнала от каждого сенсорного элемента предусмотрено транспортное оптическое волокно 2 (Фиг. 1), которое выполняет функцию пространственного разделения измерительной системы, расположенной вне зоны действия источников ионизирующих излучений, и сенсорных элементов, находящихся в зоне воздействия бета излучений.To transmit an optical signal from each sensor element, a transport optical fiber 2 is provided (Fig. 1), which performs the function of spatial separation of a measuring system located outside the zone of action of ionizing radiation sources and sensor elements located in the area of beta radiation.

С помощью транспортных оптических волокон осуществляется передача оптического сигнала на входы управляемого многоканального оптического коммутатора 3. Роль коммутатора сводится к соединению одного из транспортных волокон в конкретный момент времени с входом фотоприемника. Управление работой оптического коммутатора осуществляется при помощи микроконтроллерной системы и реализованному в ней алгоритму переключения.Using transport optical fibers, an optical signal is transmitted to the inputs of a controlled multi-channel optical switch 3. The role of the switch is reduced to connecting one of the transport fibers at a particular time with the input of the photodetector. The operation of the optical switch is controlled by a microcontroller system and the switching algorithm implemented in it.

Для измерения мощности сцинтилляционного излучения служит фотоприемник 3, работающий в режиме счета фотонов (фиг. 1). Выходной сигнал фотоприемника представляет собой последовательность импульсов, количество которых в единицу времени пропорционально оптической мощности на его входе. В результате, частота импульсов на выходе фотоприемного устройства оказывается пропорциональна уровню бета-излучения.To measure the power of scintillation radiation, a photodetector 3 is used, operating in the photon counting mode (Fig. 1). The output signal of the photodetector is a sequence of pulses, the number of which per unit time is proportional to the optical power at its input. As a result, the pulse frequency at the output of the photodetector is proportional to the level of beta radiation.

Микроконтроллерная система 5 осуществляет подсчет импульсов с выхода фотоприемного устройства 4 в течение фиксированного времени. Полученный результат может отображаться на индикаторе микроконтроллерной системы, а также передаваться в персональный компьютер 6.The microcontroller system 5 performs the counting of pulses from the output of the photodetector 4 for a fixed time. The result can be displayed on the indicator of the microcontroller system, as well as transmitted to a personal computer 6.

Таким образом, разработано многоканальное волоконно-оптическое устройство для измерения изменений во времени активностей нескольких источников ионизирующего излучения.Thus, a multichannel fiber-optic device for measuring the changes in time of the activities of several sources of ionizing radiation has been developed.

Claims

A multichannel fiber-optic dosimetric system that includes a sensor element based on a polymer scintillation fiber located in the form of several turns around the circumference of the hole in the sensor element housing and fixed by the protrusions of the upper and lower housing covers, the free end of which is coated with a reflective coating, and the output end is connected by means of a transport optical fiber with a photodetector, the signal from which is processed using a microcontroller system and It is indicated in the activity values of the ionizing radiation source, characterized in that several sensor elements based on polymer scintillation fibers are additionally introduced, each of which is connected via a transport optical fiber to a separate input of an additional multichannel optical switch controlled by a microcontroller system, the output of which is connected to the input photodetector.