RU174124U1

RU174124U1 - SENSOR ELEMENT OF A FIBER-OPTIMIZED DOSIMETRIC SYSTEM

Info

Publication number: RU174124U1
Application number: RU2017115074U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Новиков; Александр Сергеевич АЛЕКСЕЕВ; Алексей Валентинович Беринцев
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-10-03

Abstract

Полезная модель относится к технике регистрации гамма-излучения и может быть использована при создании высокочувствительных детекторовдля оптической дозиметрии, в частности в волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений. Сенсорный элемент оптоволоконной дозиметрической системы содержит светонепроницаемый корпус, сцинтилляционный материал, спектросмещающее оптическое волокно и оптический разъем для соединения с измерительной системой. При этом корпус сенсорного элемента выполнен из гибкого материала, способного сохранять форму после деформаций, в виде заполненного жидким сцинтилляционным материалом тонкого полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта отражающим оптическое излучение слоем, один торец которого герметично закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие для крепления герметичного оптического разъема, к которому присоединено спектросмещающее оптическое волокно, помещенное внутрь корпуса сенсорного элемента. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет реализации гибкого сенсорного элемента с изменяющейся геометрией. 3 ил.The invention relates to a technique for detecting gamma radiation and can be used to create highly sensitive detectors for optical dosimetry, in particular in fiber-optic sensors of ionizing radiation. The sensor element of the fiber optic dosimetric system contains a lightproof housing, scintillation material, a spectroscopic optical fiber and an optical connector for connecting to the measuring system. In this case, the body of the sensor element is made of a flexible material capable of retaining its shape after deformation, in the form of a thin hollow cylinder filled with liquid scintillation material, the inner surface of which is covered with a layer reflecting optical radiation, one end of which is hermetically sealed with a plug, and the second end has a hole for fastening a sealed an optical connector to which a spectroscopic optical fiber is attached, placed inside the housing of the sensor element. The technical result is the expansion of functionality through the implementation of a flexible sensor element with a changing geometry. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к технике регистрации уровня ионизирующего излучения и может быть использована при создании высокочувствительных детекторов для оптической дозиметрии, в частности в волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений.The invention relates to a technique for recording the level of ionizing radiation and can be used to create highly sensitive detectors for optical dosimetry, in particular, in fiber-optic sensors of ionizing radiation.

Известен радиационно-прочный сцинтилляционный детектор (Пат РФ №85680), содержащий чувствительные сцинтилляционные элементы, световод, соединенный с фотодетектором, расположенным за пределами зоны с интенсивной радиацией, отличающийся тем, что в качестве сцинтилляционных элементов используются радиационно-прочные сцинтилляционные наночастицы, а световодом служит микрокапиллярная структура с полой сердцевиной, окруженной микрокапиллярами, образующими в поперечно сечении фотонный кристал. Данный сцинтилляционный детектор предназначен для работы без изменения характеристик внутри активных зон ядерных реакторов и в других местах с интенсивной радиацией и, в связи с этим, обладает низкой чувствительностью. Также известный детектор не обладает необходимой гибкостью и не способен изменять геометрическую форму для проведения измерений в условиях затрудненного доступа и с учетом геометрической формы радиационного источника. Кроме того, сложность используемых технологий, связанных с формированием наночастиц и микрокапиллярных структур волновода, не позволяет обеспечить постоянство метрологических характеристик известного детектора.Known radiation-resistant scintillation detector (Pat RF №85680), containing sensitive scintillation elements, a fiber connected to a photodetector located outside the zone with intense radiation, characterized in that the radiation-resistant scintillation nanoparticles are used as scintillation elements, and the fiber is microcapillary structure with a hollow core surrounded by microcapillaries forming a photonic crystal in cross section. This scintillation detector is designed to operate without changing the characteristics inside the active zones of nuclear reactors and in other places with intense radiation and, therefore, has low sensitivity. Also, the known detector does not have the necessary flexibility and is not able to change the geometric shape for measurements in difficult access conditions and taking into account the geometric shape of the radiation source. In addition, the complexity of the technologies used associated with the formation of nanoparticles and microcapillary structures of the waveguide does not allow for the constancy of the metrological characteristics of the known detector.

Известен дозиметр для осуществления радиационного контроля во время проведения медицинских рентгенодиагностических исследований (Пат US 2016/0015338), содержащий сенсорный элемент в светонепроницаемом корпусе, состоящий из пластикового основания, зафиксированного на нем двуслойного сцинтиллятора, представляющего собой слой сцинтилляционного вещества на базе оксосульфида итрия, активированного европием, нанесенный на подложку из пластика или акрила, и предназначенного для генерации оптического сигнала под воздействием радиационного излучения, который затем вводится в сформированный специальным образом торец транспортного волокна, закрепленный на поверхности сцинтиллятора, и передается по транспортному волокну на вход фотоприемника. К недостаткам известного дозиметра относится его точечный характер и неэластичность конструкции сенсорного элемента, в связи с чем известный дозиметр не применим для контроля параметров протяженных радиационных источников сложной геометрической формы, проведения измерений в протяженных каналах и полостях произвольной геометрической конфигурации.A known dosimeter for performing radiation monitoring during medical x-ray diagnostic studies (US Pat. deposited on a plastic or acrylic substrate and designed to generate an optical signal under the influence of radiation exercises, which are then introduced into a specially formed end of the transport fiber, mounted on the surface of the scintillator, and transmitted through the transport fiber to the input of the photodetector. The disadvantages of the known dosimeter include its point-like nature and the inelasticity of the design of the sensor element, in connection with which the known dosimeter is not applicable for monitoring the parameters of extended radiation sources of complex geometric shapes, measurements in extended channels and cavities of arbitrary geometric configuration.

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. Недостатком ее является ограниченные функциональные возможности, связанные с измерениями уровня радиационного только бета-излучения на ограниченном участке хроматографической колонны круглого сечения. При этом известная система не позволяет проводить радиационный контроль гамма-источников.A known fiber-optic dosimetric system (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 disadvantage is the limited functionality associated with measuring the level of radiation only beta radiation in a limited area of a chromatographic column of circular cross section. Moreover, the known system does not allow radiation monitoring of gamma sources.

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

Цель предлагаемой полезной модели: разработать волоконно-оптический сенсор с изменяющейся геометрией для использования совместно с волоконно-оптической дозиметрической системой для измерения во времени уровня радиационного излучения произвольного источника гамма излучения.The purpose of the proposed utility model: to develop a fiber-optic sensor with variable geometry for use in conjunction with a fiber-optic dosimetric system for measuring in time the level of radiation from an arbitrary source of gamma radiation.

Технический результат: расширение функциональных возможностей за счет реализации гибкого сенсорного элемента с изменяющейся геометрией.Effect: expanding functionality through the implementation of a flexible sensor element with a changing geometry.

Достижение технического результата осуществляется за счет изменяющейся геометрической конфигурации сенсорного элемента, корпус которого выполнен из гибкого материала, способного сохранять форму после деформаций, в виде заполненного жидким сцинтилляционным материалом тонкого полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта отражающим оптическое излучение слоем, один торец которого герметично закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие для крепления герметичного оптического разъема, к которому присоединено спектросмещающее оптическое волокно, помещенное внутрь корпуса сенсорного элемента..The achievement of the technical result is achieved due to the changing geometric configuration of the sensor element, the housing of which is made of flexible material capable of retaining shape after deformation, in the form of a thin hollow cylinder filled with liquid scintillation material, the inner surface of which is covered with a layer reflecting optical radiation, one end of which is hermetically closed by a plug , and the second end has a hole for attaching a sealed optical connector to which the spectroscope is attached -rotating optical fiber element placed inside the sensor housing ..

Описание полезной моделиUtility Model Description

На объектах атомной отрасли важнейшей задачей стоит проведение радиационного контроля при проведении технологических операций с источниками ионизирующего излучения. При этом необходимо осуществлять дозиметрию протяженных объектов в условиях ограниченного доступа, таких как искривленные участки трубопроводов внутри горячих камер и радиационно-защитных боксов, участки спецканализации, вентиляционные системы, хроматографические системы, фильтры и др. Особенностью этих объектов является различная геометрическая конфигурация и размеры, что влечет за собой использование различных типов сенсоров для решения этих задач. Предлагаемая полезная модель позволяет использовать один сенсорный элемент для гамма-дозиметрии при решении широкого круга перечисленных задач.At nuclear facilities, the most important task is to conduct radiation monitoring during technological operations with sources of ionizing radiation. In this case, it is necessary to carry out dosimetry of extended objects in conditions of limited access, such as curved sections of pipelines inside hot chambers and radiation-protective boxes, sections of special sewage systems, ventilation systems, chromatographic systems, filters, etc. A distinctive feature of these objects is their different geometric configuration and sizes, which entails the use of various types of sensors to solve these problems. The proposed utility model allows the use of a single sensor element for gamma dosimetry in solving a wide range of these problems.

Конструкция предлагаемого сенсорного элемента показана на фиг.1. В состав сенсорного элемента входят: корпус сенсорного элемента из светонепроницаемого гибкого материала 1, способного сохранять форму после деформаций, покрытый изнутри светоотражающим покрытием 2, герметично закрытый заглушкой 3, вмонтированный в металлический герметичный колпачок 4, оптический разъем 5, на который выведен торец расположенного внутри корпуса и погруженного в жидкий сцинтиллятор 6 спектросмещающего волокна 7. К оптическому разъему подключается транспортное волокно, соединяющее сенсорный элемент с входом счетчика фотонов.The design of the proposed sensor element is shown in figure 1. The composition of the sensor element includes: the body of the sensor element made of opaque flexible material 1, capable of retaining shape after deformation, coated internally with a reflective coating 2, hermetically sealed with a plug 3, mounted in a metal sealed cap 4, an optical connector 5, on which the end face located inside the housing and a spectroscopic fiber 7 immersed in the liquid scintillator 6. A transport fiber is connected to the optical connector, connecting the sensor element to the input of the photo counter new

Такой сенсорный элемент предназначен для использования совместно с оптоволоконной дозиметрической системой (Фиг.2).Such a sensor element is intended for use in conjunction with a fiber optic dosimetric system (Figure 2).

В ее состав входят: сенсорный элемент, транспортное оптическое волокно, счетчик фотонов и микроконтроллерная система. Транспортное оптическое волокно соединяет сенсорный элемент с находящимся вне активной зоны со счетчиком фотонов. К выходу микроконтроллерной системы может быть подключен персональный компьютер с установленным программным обеспечением для отображения и обработки результатов измерений.It consists of: a sensor element, a transport optical fiber, a photon counter, and a microcontroller system. A transport optical fiber connects the sensor element to a photon counter located outside the core. A personal computer with installed software for displaying and processing measurement results can be connected to the output of the microcontroller system.

В составе оптоволоконной дозиметрической системы сенсор работает следующим образомAs part of a fiber optic dosimetric system, the sensor operates as follows

Сенсорный элемент помещается в непосредственной близости от протяженного объекта при необходимости повторяя его конфигурацию, например в виде спирали, и может быть закреплен на участке экстракционно-хроматографической колонки, в которой происходит разделение радиоактивных изотопов. При этом размер области измерений может изменяться путем изменения шага между витками. В предлагаемом сенсорном элементе, при наличии гамма-излучения у целевого изотопа, в качестве чувствительного элемента выступает жидкий гамма-сцинтиллятор, например, на базе дейтерированного бензола. Под воздействием гамма-излучения он генерирует фотоны на длине волны порядка 0,4 мкм. Все оптическое излучение сцинтиллятора отражается от внутренней зеркальной поверхности корпуса сенсора. При попадании сгенерированного излучения на спектросмещающее волокно, помещенное внутри жидкого сцинтиллятора, часть его преобразуются в излучение на длине волны порядка 0,5 мкм. При этом часть этого оптического излучения поступает на торцы спектросмещающего волокна. С одного из торцов оптическое излучение поступает в транспортное оптическое волокно и попадает на вход счетчика фотонов. Выходной сигнал счетчика фотонов представляет собой последовательность импульсов, количество которых в единицу времени пропорционально оптической мощности на его входе. Мощность оптического излучения сенсорного элемента пропорциональна уровню гамма-излучения. Электрические сигналы счетчика фотонов поступают в микроконтроллерную систему, где усредняются и преобразуются в значения активности или мощности дозы гамма-источника. Микроконтроллерная система осуществляет подсчет импульсов с выхода счетчика фотонов в течение фиксированного времени. Полученный результат может отображаться на индикаторе микроконтроллерной системы, а также передаваться в персональный компьютер.The sensor element is placed in close proximity to an extended object, if necessary, repeating its configuration, for example, in the form of a spiral, and can be fixed on the section of the extraction chromatographic column, in which the separation of radioactive isotopes occurs. The size of the measurement region can be changed by changing the step between the turns. In the proposed sensor element, in the presence of gamma radiation from the target isotope, a liquid gamma scintillator, for example, based on deuterated benzene, acts as a sensitive element. Under the influence of gamma radiation, it generates photons at a wavelength of about 0.4 microns. All optical radiation of the scintillator is reflected from the internal mirror surface of the sensor housing. When the generated radiation hits a spectroscopic fiber placed inside a liquid scintillator, part of it is converted to radiation at a wavelength of about 0.5 μm. In this case, part of this optical radiation enters the ends of the spectroscopic fiber. From one of the ends, the optical radiation enters the transport optical fiber and enters the input of the photon counter. The output signal of the photon counter is a sequence of pulses, the number of which per unit time is proportional to the optical power at its input. The optical radiation power of the sensor element is proportional to the level of gamma radiation. The electrical signals of the photon counter are sent to the microcontroller system, where they are averaged and converted to the values of the activity or dose rate of the gamma source. The microcontroller system counts pulses from the output of the photon counter for a fixed time. The result can be displayed on the indicator of the microcontroller system, as well as transmitted to a personal computer.

На фиг 3. Изображен график зависимости числа импульсов на входе микроконтроллерной системы от активности источника ионизирующего излучения на основе Co-60. Сенсор в этом случае представляет собой гибкую медную трубку длиной 1 метр, диаметром 5 мм, внутренняя поверхность которой отполирована и покрыта слоем серебра. Толщина стенки трубки 0,6 мм. Один конец трубки запаян. Внутри находится жидкий сцинтиллятор - BC-505, имеющий следующие параметры: световыход - 80%, длина волны светового излучения - 425 нм и спектросмещающее волокно - BC482A с результирующим сдвигом выходного излучения 494 нм. Ко второму концу трубки низкотемпературным припоем припаяна муфта с герметичным оптическим разъемом. Сенсор скручен в кольцо диаметром 300 мм.In Fig. 3. A graph is shown of the dependence of the number of pulses at the input of the microcontroller system on the activity of the ionizing radiation source based on Co-60. The sensor in this case is a flexible copper tube 1 meter long, 5 mm in diameter, the inner surface of which is polished and coated with a layer of silver. The wall thickness of the tube is 0.6 mm. One end of the tube is sealed. Inside is a liquid scintillator - BC-505, which has the following parameters: light output - 80%, wavelength of light radiation - 425 nm, and spectroscopic fiber - BC482A with a resulting shift of output radiation of 494 nm. A coupling with a sealed optical connector is soldered to the second end of the tube with a low-temperature solder. The sensor is twisted into a ring with a diameter of 300 mm.

Облучение осуществлялось при помощи 6 калиброванных источников. Как видно из графика зависимость имеет линейный характер и может использоваться в качестве калибровочной для данного типа источника и конфигурации сенсора.Irradiation was carried out using 6 calibrated sources. As can be seen from the graph, the dependence is linear and can be used as a gauge for this type of source and sensor configuration.

Таким образом, разработан волоконно-оптический сенсор с изменяющейся геометрией для использования совместно с волоконно-оптической дозиметрической системой для измерения во времени уровня радиационного излучения произвольного источника гамма излучения, обладающий расширенными функциональными возможностями за счет реализации гибкого сенсорного элемента с изменяющейся геометрией, располагаемого наиболее эффективным образом относительно радиационного источника.Thus, a fiber-optic sensor with a variable geometry has been developed for use in conjunction with a fiber-optic dosimetric system for measuring in time the level of radiation of an arbitrary gamma radiation source, which has enhanced functionality due to the implementation of a flexible sensor element with a variable geometry, which is located in the most efficient way relative to the radiation source.

Claims

A sensor element of a fiber optic dosimetric system comprising a light-tight casing, scintillation material, a spectroscopic optical fiber and an optical connector for connecting to a measuring system, characterized in that the casing of the sensor element is made of flexible material capable of retaining its shape after deformation, in the form of a thin liquid filled with scintillation material hollow cylinder, the inner surface of which is covered with a layer reflecting optical radiation, one end of which is sealed a closed cap, and the second end has an aperture for sealingly attaching an optical connector to which a wavelength-shifting optical fiber sensor element placed inside the housing.