RU2775359C2 - Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения - Google Patents
Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775359C2 RU2775359C2 RU2021108173A RU2021108173A RU2775359C2 RU 2775359 C2 RU2775359 C2 RU 2775359C2 RU 2021108173 A RU2021108173 A RU 2021108173A RU 2021108173 A RU2021108173 A RU 2021108173A RU 2775359 C2 RU2775359 C2 RU 2775359C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- gamma radiation
- radiation
- absorbed dose
- optical fiber
- Prior art date
Links
- 231100000987 absorbed dose Toxicity 0.000 title claims abstract description 13
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 7
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 6
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000007707 calorimetry Methods 0.000 description 2
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 2
- 238000004980 dosimetry Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000004794 expanded polystyrene Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000005433 particle physics related processes and functions Effects 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L Iron(II) sulfate Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005466 cherenkov radiation Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000004795 extruded polystyrene foam Substances 0.000 description 1
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000001579 optical reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области детектирования излучения. Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения содержит измерительный блок и один или более калориметрических датчиков, содержащих термоизолированные элементы из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения, при этом термоизолированные элементы представляют собой сферу из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения, окруженную слоем термоизолирующего и прозрачного для гамма-квантов материала, размещены на оптическом волокне, имеют тепловой контакт с оптическим волокном, а измерительный блок позволяет проводить измерение распределения температуры вдоль оптического волокна с высоким пространственным разрешением. Технический результат – повышение пространственного разрешения при измерении пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения на протяженных объектах. 2 ил.
Description
Изобретение относится к детекторам излучения и предназначено для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы гамма-излучения. Может быть использовано в индивидуальной и клинической дозиметрии, при мониторинге радиационной обстановки на ядерных объектах, ускорителях, в лабораториях и на производствах с источниками гамма-излучения.
Сегодня активно ведутся исследования и разработки в области волоконных дозиметрических сенсоров, которые по сравнению с классическими решениями (полупроводниковыми, сцинтилляционными сенсорами, ионизационными камерами) обладают рядом преимуществ: не требуют электрического питания; имеют высокую электромагнитную помехозащищенность, невосприимчивы к паразитному оптическому сигналу (черенковскому излучению, флуоресцентному излучению), имеют высокую радиационную стойкость (невосприимчивы к ухудшению оптической передачи); предоставляют возможность удаленного мониторинга и мультиплексирования, а также имеют высокое пространственное разрешение (O'Keeffe, S; Fitzpatrick, С; Lewis, Е; Al-Shamma'a, AI. A review of optical fibre radiation dosimeters // Sensor Review 28/2 (2008), pp.136-142).
Из литературы (O'Keeffe, S; Fitzpatrick, C; Lewis, E; Al-Shamma'a, AI. A review of optical fibre radiation dosimeters // Sensor Review 28/2 (2008), pp.136-142) известны волоконные дозиметрические системы, которые можно разделить на несколько типов, в зависимости от используемого физического эффекта: волоконно-оптические, оптические абсорбционные, люминесцентные (термолюминесцентные, оптически-стимулированные люминесцентные), сцинтилляционные (на основе сцинтилляционных волокон, на основе неорганических сцинтилляционных материалов сенсоров, позиционно-чувствительные time-of-flight), на основе эффекта Вавилова-Черенкова, и на основе брегговских решеток.
Также в физике элементарных частиц известен калориметрический метод измерения поглощенных доз ионизирующего излучения, основанный на преобразовании поглощенной веществом сенсора энергии падающих частиц в другой, поддающийся измерению, физический параметр -количество теплоты, выделенное при взаимодействии и характеризуемое температурой тела сенсора (Fabjan Ch.W., Gianotti F. Calorimetry for Particle Physics // Rev. Mod. Phys. 2003. V. 75. №CERN-EP-2003-075. P. 1243).
Калориметрический метод является единственным абсолютным дозиметрическим методом, с помощью которого количество энергии, поглощаемой материалом, подвергающимся воздействию ионизирующего излучения, измеряется напрямую и преобразуется с помощью эффектов возбуждения и ионизации в тепло. Этот метод используется специально для калибровки других дозиметрических систем. Калориметрия может быть использована для измерения полностью поглощенной дозы, определения количества тепла, выделяемого поглощающим материалом, при условии, что вся энергия, рассеиваемая пучком, преобразуется в тепло. Преимуществом калориметрических дозиметров является простота конструкции и надежность.
Также известно устройство (пат. RO 128239 В1) в котором дозиметр основан на использовании встроенной в оптическое волокно дифракционной решетки Брэгга, предназначенной для измерения температуры нагрева оптического волокна, возникающего в результате передачи энергии от потока ионизирующего излучения к графитовому телу, отделенному от окружающей среды корпусом из пенополистирола, выступающего в качестве теплоизолятора. В устройстве изменение температуры определяется по изменению номинальной длины волны дифракционной решетки Брэгга при помощи оборудования оптической спектроскопии, к которому прикреплено оптическое волокно.
Техническая задача, решаемая данным изобретением, состоит в измерении в режиме реального времени поглощенной дозы ионизирующего излучения в случае облучения объектов пучками заряженных частиц.
Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
Дифракционные решетки Брэгга, реализованные в сердцевине оптических волокон, необходимые для мониторинга температуры, требуют специальных оптических волокон, в которых возможна запись таких решеток, а также специального оборудования для записи, что значительно усложняет реализацию предложенного устройства.
Также количество брэгговских решеток, записанное на волокне ограничено возможностями оборудования для оптической спектроскопии и не превышает нескольких десятков. В результате, охват измерительного пространства и пространственное разрешение ограничивается количеством брэгговских решеток.
Кроме того, дифракционные брегговские решетки ухудшают свои свойства под действием ионизирующих излучений, что снижает срок их службы в составе сенсора.
Устранить недостатки описанного выше устройства позволяет предлагаемое изобретение.
Цель предлагаемого изобретения заключается в реализации устройства обладающего высокой радиационной стойкостью, способного с высоким пространственным разрешением и точностью проводить измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения на протяженных объектах.
Технический результат: повышение пространственного разрешения при измерении пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения на протяженных объектах.
Технический результат достигается за счет использования в качестве сенсора любого стандартного оптического волокна, содержащего термоизолированные элементы из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения. При этом термоизолированные элементы представляют собой сферу из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения, окруженную слоем термоизолирующего и прозрачного для гамма-квантов материала, размещены на оптическом волокне, имеют тепловой контакт с оптическим волокном, соединенным с измерительный блоком для измерения распределения температуры вдоль оптического волокна с высоким пространственным разрешением. Измерительный блок в данном изобретении осуществляет измерение распределения температуры вдоль оптического волокна либо с помощью анализа сдвига частоты вынужденного рассеяния Манделыитама-Бриллюэна, либо измерения интенсивности сигнала обратного рассеяния Релея или измерения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния
Раскрытие изобретения
В основу реализации изобретения положен калориметрический метод, с помощью которого количество энергии, поглощаемой материалом, подвергающимся воздействию ионизирующего излучения, преобразуется с помощью эффектов возбуждения и ионизации в тепло. При этом температура нагрева материала может быть измерена при помощи методов оптической рефлектометрии.
В предлагаемом изобретении устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения (Фиг. 1) включает измерительный блок 1 и один или более калориметрических датчиков 2. Каждый из датчиков представляет собой сферу из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения 3, окруженную слоем термоизолирующего и прозрачного для гамма-квантов материала 4. При этом термоизолированные элементы установлены на оптическом волокне 5 с заданным или произвольным интервалом, имеют тепловой контакт с оптическим волокном.
Для облегчения монтажа на оптическое волокно каждый датчик имеет центральное сквозное отверстие 6 с диаметром, превышающим диаметр оптического волокна, и рассечен полуплоскостью, край которой достигает сквозного центрального отверстия. Монтаж датчика осуществляется его обжатием на оптическом волокне и фиксацией при помощи теплопроводящего эластичного клеящего состава.
Измерительный блок 1 осуществляет измерение распределения температуры вдоль оптического волокна либо с помощью анализа сдвига частоты вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна, либо измерения интенсивности сигнала обратного рассеяния Релея, или с помощью измерения интенсивности сигнала комбинационного рассеяния.
Подобная конструкция дает возможность создания датчиков, распределенных по всей длине волокна с произвольным интервалом, позволяя проводить измерения мощности дозы ионизирующего излучения вдоль траекторий протяженностью до нескольких десятков километров.
Устройство работает следующим образом.
Калориметрические преобразователи 2 находятся в поле излучения радиационного источника гамма-излучения. В процессе поглощения энергии радиационного излучения в веществе калориметрического преобразователя непрерывно выделяется некоторое количество теплоты, которое вызывает повышение температуры тела преобразователя до момента достижения термодинамического равновесия с окружающей средой (до того момента, когда количество теплоты, выделяемое в единицу времени в результате поглощения дозы излучения, становится равным количеству теплоты, рассеиваемым в единицу времени через слой теплоизолятора). Для сферического теплоизолятора имеем:
где, Е - энергия, переданная пучком ионизирующего излучения веществу в объеме за время t, m - масса вещества в этом объеме. Доля энергии пучка, передаваемая веществу, зависит от энергии гамма-квантов (Eγ), плотности вещества (ρ) и порядкового номера вещества (z). λw-коэффициент теплопроводности теплоизолятора, R1, R2 - внутренний и внешний радиусы стенок шара-теплоизолятора, ΔT - разница температур между температурой детектора и окружающей средой.
Приращение температуры детектора имеет линейную зависимость от мощности поглощенной дозы. Таким образом, оценив величину изменения температуры детектора, становится возможным определить величину мощности поглощенной дозы. Проводить измерения можно на основе двух подходов: динамическое отслеживание изменений температуры калориметрического детектора (подходит для переменных радиационных полей), и измерение разности температур калориметрического сенсора и окружающей среды после достижения термодинамического равновесия (для медленно меняющихся или статических полей). В первом случае требуется высокая скорость проведения измерений, а также высокий коэффициент теплопроводности материала калориметрического преобразователя. Во многих случаях предпочтителен второй подход, так как позволяет проводить многократные измерения мощности дозы радиационного излучения от стационарных источников, увеличивая тем самым точность результата. При этом подходе размещенные на оптическом волокне детекторы, подвергающиеся воздействию гамма-излучения, вызывают его нагрев в точках теплового контакта. Участки волокна, не оснащенные детекторами, также испытывают воздействие излучения, но, в силу низкого коэффициента ослабления гамма-излучения, значительной величины отношения площади поверхности к массе волокна и отсутствию теплоизолирующего слоя, имеют температуру окружающей среды. Значение градиента температур между детектором и внешней стенкой теплоизолятора измеряется как разница между температурой волокна в точке крепления детектора и температурой граничного участка волокна, не оснащенного детектором.
Нахождение распределения температуры вдоль оптического волокна производится одним из следующих способов:
1) анализ сдвига частоты вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна;
2) измерение интенсивности сигнала обратного рассеяния Релея;
3) измерение интенсивности сигнала комбинационного рассеяния.
Для компенсации влияния механических деформаций оптического волокна, в том числе в точках крепления калориметрических сенсоров, на результаты измерения, перед началом измерений снимается «нулевой» спектр сигнала вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, обратного Рэлеевского или Рамановского рассеяния в зависимости от выбранного рефлектометрического метода, с учетом которого выполняются все последующие измерения.
Реализация изобретения
Для подтверждения реализации изобретения был изготовлен образец предложенного калориметрического дозиметра в соответствии с Фиг. 1. В качестве калориметрических датчиков были изготовлены свинцовые элементы массой 60 г. которые были закреплены на чувствительном волокне и помещены в матрицу-термостат из экструдированного пенополистирола с толщиной стенки 30 мм. Монтаж сенсорных элементов осуществлялся обжатием и фиксацией при помощи теплопроводящего состава на одномодовом оптическом кабеле 9/125 мкм SMF28e. Коэффициент теплопроводности используемого пенополистирола составлял 0,033 [Вт/(м×°К)]. Калориметрические датчики были размещены на оптическом волокне с шагом 5 метров.
Оба конца чувствительного волокна были подключены ко входам бриллюэновского оптического анализатора компании OZ-Optics со следующими настройками сканирования: диапазон сканируемых частот, МГц: 10649.60 - 10849.28; шаг увеличения частоты, МГц: 2.56; количество замеров за одну сессию, шт: 10000; пространственное разрешение, м: 0.1; температурный коэффициент для волокна, МГц/градус: 0.9765.
Эксперимент по измерению мощности дозы радиационного гамма-излучения с помощью образца дозиметра проводился на базе ВНИИ радиологии и агроэкологии (г. Обнинск). Термостат с чувствительным волокном с закрепленными на нем калориметрическими датчиками помещался в поле излучения радиационного источника гамма-излучения на базе 60Со. Мощность статического радиационного поля регулировалась расстоянием от термостатированной сборки до источника и контролировалась ферросульфатным дозиметром. Включение и выключение радиационного поля источника осуществлялись удаленно путем извлечения из хранилища и скрытия в хранилище соответственно радиационного источника посредством специального выдвижного механизма. Использовались следующие значения мощности дозы радиационного излучения [Гр/ч]: 1240, 2160, 2900, 4450 с относительной погрешностью не более 7%.
Перед началом измерений был получен «нулевой» спектр сигнала вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна при выключенном радиационном поле для учета влияния внешних механических деформаций. Затем эксперимент проводился по следующей циклической схеме: тестовая сборка выдерживалась в поле ионизирующего излучения при заданной мощности дозы до момента стабилизации температуры. На протяжении всего эксперимента выполнялись многократные измерения разности температур калориметрического сенсора и окружающей среды на основе анализа данных обратной рефлектометрии. После этого поле радиационного источника отключалось, и сборка остывала до температуры окружающей среды (25°С).
Участки температурного профиля, соответствующие точкам монтажа калориметрических датчиков, определялись замером расстояния между точкой монтажа и точкой подключения к прибору по длине волокна.
В результате экспериментальных исследований были получена зависимость мощности дозы гамма излучения от разности температур для калориметрических датчиков, показанные на Фиг. 2.
Линейный характер полученной зависимости подтверждает работоспособность предложенного изобретения.
Claims (1)
- Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения, включающее измерительный блок и один или более калориметрических датчиков, содержащих термоизолированные элементы из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения, отличающееся тем, что термоизолированные элементы представляют собой сферу из материала с высоким коэффициентом ослабления гамма-излучения, окруженную слоем термоизолирующего и прозрачного для гамма-квантов материала, размещены на оптическом волокне, имеют тепловой контакт с оптическим волокном, соединенным с измерительным блоком для измерения распределения температуры вдоль оптического волокна с высоким пространственным разрешением.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021108173A RU2775359C2 (ru) | 2020-07-03 | Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021108173A RU2775359C2 (ru) | 2020-07-03 | Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021108173A RU2021108173A (ru) | 2022-01-04 |
| RU2021108173A3 RU2021108173A3 (ru) | 2022-01-20 |
| RU2775359C2 true RU2775359C2 (ru) | 2022-06-29 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2371740C1 (ru) * | 2008-04-08 | 2009-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" | Годоскоп |
| WO2010125292A1 (fr) * | 2009-04-28 | 2010-11-04 | Centre National De La Recherche Scientifique | Detecteur de radiation a cristaux scintillants et procede de fabrication d'une enveloppe pour un tel detecteur. |
| RU2010107507A (ru) * | 2010-03-01 | 2011-09-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный уни | Сцинтилляционный детектор для регистрации тепловых нейтронов |
| RO128329A0 (ro) * | 2012-01-23 | 2013-04-30 | General Rally Consulting S.R.L. | Mecanism simulator derapaje controlate |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2371740C1 (ru) * | 2008-04-08 | 2009-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" | Годоскоп |
| WO2010125292A1 (fr) * | 2009-04-28 | 2010-11-04 | Centre National De La Recherche Scientifique | Detecteur de radiation a cristaux scintillants et procede de fabrication d'une enveloppe pour un tel detecteur. |
| RU2010107507A (ru) * | 2010-03-01 | 2011-09-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный уни | Сцинтилляционный детектор для регистрации тепловых нейтронов |
| RO128329A0 (ro) * | 2012-01-23 | 2013-04-30 | General Rally Consulting S.R.L. | Mecanism simulator derapaje controlate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Alimonti et al. | Light propagation in a large volume liquid scintillator | |
| US9507030B2 (en) | Radiation detector | |
| US8503599B2 (en) | Optical gamma thermometer | |
| Miller et al. | SONTRAC: An imaging spectrometer for MeV neutrons | |
| Fleming et al. | Endothermic processes in tissue-equivalent plastic | |
| RU2775359C2 (ru) | Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения | |
| Rahman et al. | Real-time dosimetry in radiotherapy using tailored optical fibers | |
| US10782421B2 (en) | Photonic calorimeter and process for performing calorimetry | |
| Bueker et al. | Fiber optic radiation sensors | |
| Mengel et al. | Detection of monochromatic photons between 50 and 790 MeV with a PbWO/sub 4/-scintillator array | |
| Wang et al. | Testing and analysis of the plastic scintillator units for LHAASO-ED | |
| Tregubov et al. | Distributed Fiber-Optic Calorimetric Dosimeter | |
| KR20230004587A (ko) | 축방향 및 반경방향 고밀도 센서와 향상된 분열 감마 측정 감도로 구성된 sic 쇼트키 다이오드를 사용하는 고정형 인-코어 검출기 설계 | |
| Tregubov et al. | A model of a distributed calorimetric fiber dosimeter based on stimulated Brillouin scattering | |
| Dudnik et al. | A detector on the basis of an activated p-terphenyl single crystal and a silicon photomultiplier | |
| US5185122A (en) | Gamma ray flux measurement system | |
| RU213911U1 (ru) | Бета-чувствительный элемент оптоволоконной дозиметрической системы | |
| US3164722A (en) | Radioactive transducer for sensing pressure and the like having a source of primary radiation and a target for producing secondary radiation | |
| Erhart et al. | A plastic scintillation muon veto for sub-Kelvin temperatures | |
| JP7223420B2 (ja) | 温度測定装置、温度測定方法 | |
| JP6884228B2 (ja) | ニュートリノ検出器装置、ニュートリノ検出システム、およびニュートリノを検出する方法 | |
| JP2934513B2 (ja) | 出力分布計測装置 | |
| Stiegler et al. | Replacement of a Photomultiplier Tube with Silicon Photomultipliers for use in Safeguards Applications | |
| RU2574322C1 (ru) | Спектрометрический позиционно-чувствительный детектор | |
| Previtali | 20 years of cryogenic particle detectors: past, present and future |