СЕНСОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОПТОВОЛОКОННОЙ ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

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.
Известен сенсор для детектирования тепловых нейтронов (US 8664608 B2), устройство содержащее сцинтиллятор для генерации оптического излучения при поглощении нейтронов, к задней поверхности которого примыкает матрица, состоящая из множества перпендикулярно пересекающихся спектросмещающих волокон, осуществляющая сдвиг длины волны первичного оптического излучения для более эффективного согласования с фотоприемниками, а также для определения местоположения попадания нейтрона в сенсорный элемент. К недостаткам данного устройства относится отсутствие возможности измерения уровня радиационного гамма-излучения. Возможно детектирование только низкоинтенсивного нейтронного излучения.
Известен гибкий сцинтилляционный датчик (US 2004/0251416 A1), состоящей из гибкой трубки, заполненной жидким сцинтиллятором, способной изгибаться как минимум в двух, а предпочтительнее в трех измерениях, при этом, по крайней мере один конец трубки соединен с фотоприемником, а внешняя ее поверхность покрыта светоотражающим или оптически непрозрачным материалом, либо закрыта гибким непрозрачным корпусом, также трубка может содержать встроенную камеру переменного объема для компенсации расширения и сжатия жидкого сцинтиллятора при изменении температуры окружающей среды. Для регистрации сцинтилляционных вспышек в конструкции данного датчика используется фотоэлектронный умножитель, что снижает его надежность и повышает стоимость, в связи с этим отсутствует вывод оптического сигнала по волоконному каналу, необходимый для подключения к многоканальным волоконным дозиметрическим системам.
Известен сенсорный элемент оптоволоконной дозиметрической системы (Пат. РФ №174124), содержащий светонепроницаемый корпус, сцинтилляционный материал, спектросмещающее оптическое волокно и оптический разъем для соединения с измерительной системой отличающийся тем, что 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. Данная полезная модель предназначена для проведения радиационного контроля протяженных объектов в условиях ограниченного доступа и выбрана в качестве прототипа. Недостатком ее является малая площадь чувствительной поверхности при проведении измерений уровня радиационного излучения от объемных радиационных источников. Кроме того, сенсорный элемент имеет один канал съема измерительной информации, что снижает точность измерений.
Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель предлагаемой полезной модели: реализовать волоконно-оптический сенсорный элемент с повышенной точностью измерений эффективно окружающий источник ионизирующего излучения для использования совместно с волоконно-оптической дозиметрической системой при измерениях во времени уровня радиационного излучения объемного источника гамма-излучения заданных формы и размеров.
Технический результат: повышение эффективности измерения уровня радиационного излучения источников ионизирующего излучения заданной геометрической формы и размеров, а также повышение точности измерений за счет параллельного съема измерительной информации с нескольких оптических выходов сенсорного элемента в многоканальном режиме.
Достижение технического результата осуществляется за счет реализации сенсорного элемента оптоволоконной дозиметрической системы, содержащего светонепроницаемый корпус, жидкий сцинтилляционный материал, спектросмещающие оптические волокна и оптические разъемы для соединения с измерительной системой. При этом, светонепроницаемый корпус сенсорного элемента состоит из основания, на которое помещается цилиндрический источник ионизирующего излучения и крышки, выполненной в виде герметично закрытого полого цилиндрического контейнера в форме перевернутого стакана, пространство между стенками которого заполнено жидким сцинтилляционным материалом, окружающим цилиндрический сетчатый каркас с равномерно размещенными на нем спектросмещающими волокнами в виде нескольких, находящихся друг над другом катушек из 5-10 витков с шагом между витками, превышающим диаметр спектросмещающего волокна, концы которых подключены к оптическим разъемам, расположенным на верхней поверхности цилиндрического контейнера, при этом, внутренние поверхности стенок контейнера выполнены зеркальными. Основание сенсорного элемента может быть выполнено в виде полого цилиндра с зеркальным покрытием внутренней поверхности стенок, заполненного жидким сцинтилляционным материалом, внутри которого размещена, выполненная на сетчатом каркасе плоская спираль из спектросмещающего волокна, соединенного с оптическими разъемами, находящимися на боковой поверхности основания. Полость, сформированная внутренними стенками полого цилиндрического контейнера, может быть выполнена произвольной, повторяющей форму источника ионизирующего излучения.
Описание полезной модели
На объектах атомной отрасли остро стоит задача радиационного контроля при проведении технологических операций с источниками ионизирующего излучения. При производстве радиоизотопной продукции требуется проводить дозиметрию и калибровку серии типовых источников установленной формы и размеров. При этом требуется высокая скорость, эффективность и точность измерений. Практически все, существующие на сегодняшний день, сенсорные элементы не позволяют измерять уровень радиационного излучения одновременно со всей площади поверхности объемного радиационного источника. Предлагаемая полезная модель предназначена для решения задачи оперативного контроля с повышенной точностью уровня активности источников установленной формы и размеров.
Конструкция предлагаемого сенсорного элемента показана на фиг. 1 и состоит из основания 1, на которое помещается цилиндрический источник ионизирующего излучения 2 и крышки 3, выполненной в виде герметично закрытого полого цилиндрического контейнера в форме перевернутого стакана, пространство между стенками которого заполнено жидким сцинтилляционным материалом 4, окружающим цилиндрический сетчатый каркас 5 с равномерно размещенными на нем спектросмещающими волокнами 6 в виде нескольких, находящихся друг над другом катушек 7 из 5-10 витков с шагом между витками, превышающим диаметр спектросмещающего волокна, концы которых подключены к оптическим разъемам 8, расположенным на верхней поверхности цилиндрического контейнера, при этом, внутренние поверхности стенок контейнера выполнены зеркальными. К оптическим разъемам подключаются транспортные волокна, соединяющие сенсорный элемент с входами оптического коммутатора.
Основание сенсорного элемента также может быть выполнено в виде полого цилиндра с зеркальным покрытием внутренней поверхности стенок, заполненного жидким сцинтилляционным материалом, внутри которого размещена, выполненная на сетчатом каркасе плоская спираль из спектросмещающего волокна, соединенного с оптическими разъемами, находящимися на боковой поверхности основания. Полость, сформированная внутренними стенками цилиндрического контейнера, может быть выполнена произвольной, повторяющей форму источника ионизирующего излучения.
Такой сенсорный элемент предназначен для использования совместно с многоканальной оптоволоконной дозиметрической системой (Фиг. 2).
В ее состав входят: сенсорные элементы 9, транспортные оптические волокна 10, многоканальный оптический коммутатор 11, счетчик фотонов 12 и микроконтроллерная система 13. Сенсорный элемент находится под действием ионизирующего излучения. Транспортные оптические волокна 10 соединяют сенсорный элемент 9 с многоканальным оптическим коммутатором 11 и затем со счетчиком фотонов 12. К выходу микроконтроллерной системы может быть подключен персональный компьютер 14 с установленным программным обеспечением для отображения и обработки результатов измерений.
В составе оптоволоконной дозиметрической системы сенсор работает следующим образом.
Источник ионизирующего излучения помещается на основание сенсорного элемента и накрывается крышкой. Такой простой механизм взаимодействия сенсорного элемента с источником обеспечивает быструю смену источников при измерении партии изотопной продукции. 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 торцов спектросмещающих волокон оптическое излучение поступает в транспортные оптические волокна соединенные со входами управляемого посредством микроконтроллерной системы многоканального оптического коммутатора, и, затем 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 обрабатываются 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.
За счет наличия нескольких катушек спектросмещающих волокон внутри сенсорного элемента, подключенных к нескольким парам оптических разъемов на корпусе сенсорного элемента появляется возможность нескольких измерений для одного источника. В дальнейшем, полученные результаты могут быть обработаны для повышения точности измерений при помощи программного обеспечения либо микроконтроллерной системы, либо персонального компьютера.
Таким образом, разработан сенсорный элемент, обеспечивающий повышенную точность измерений уровня радиационного излучения источников ионизирующего излучения заданной геометрической формы и размеров, а также повышенную точность измерений за счет параллельного съема измерительной информации с нескольких оптических выходов сенсорного элемента в многоканальном режиме для использования совместно с волоконно-оптической дозиметрической системой при измерениях во времени уровня радиационного излучения объемного источника гамма-излучения заданных формы и размеров.