ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ДОЗИМЕТР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
UV LUMINESCENCE DOSIMETRY

Изобретение относится к радиационным измерениям, в частности к измерениям дозы ультрафиолетового (УФ) излучения.
Дозиметры УФ излучения предназначены для калибровки источников УФ излучения, контроля технологических процессов, в которых используется УФ излучение, а также для контроля предельно допустимой дозы УФ и солнечного облучения, приводящей к повреждению кожи человека (ультрафиолетовая эритема или "солнечный удар", пигментация, рак кожи и т.д.).
Для измерения дозы УФ облучения могут быть использованы фотоприемные устройства, чувствительные к УФ излучению, например фотодиоды на основе нитрида алюминия или карбида кремния. Однако они обладают низкой спектральной селективностью и небольшим сроком службы из-за деградации под действием УФ излучения. Кроме того, они не могут быть использованы в условиях высокого уровня электромагнитных помех и в установках высокого напряжения.
Известен дозиметр УФ излучения (патент РФ №2107266, МПК G01J 1/50, дата приоритета 01.07.1996, опубл. 20.03.1998), включающий в себя три слоя. Два наружных слоя выполнены из материала с обратимым фотохромизмом. Фотохромный материал претерпевает изменение оптической плотности в выбранном участке его спектра пропускания в зависимости от экспозиционной дозы УФ излучения с длиной волны менее 320 нм. Внутренний слой измерительно-индикаторного устройства представляет собой набор абсорбционных светофильтров, выполняющих функцию считывания оптической информации с фотохромных слоев. Недостатком данного технического решения является определение дозы облучения на полуколичественном уровне, путем визуального определения изменения оптического пропускания участков дозиметра. Недостатком также является то, что для восстановления исходного оптического состояния фотохромного материала, необходимого для проведения следующего цикла измерений, требуется выдержка чувствительного элемента дозиметра в темноте в течение продолжительного времени (до нескольких часов).
В качестве дозиметра УФ излучения может быть использован волоконный датчик искры и электрической дуги (патент РФ №2459222, МПК G02B 6/02, дата приоритета 23.12.2010, опубл. 20.08. 2012). В данном устройстве УФ излучение падает на волокно, покрытое слоем полимера с добавкой люминесцентного органического красителя. УФ излучение в люминесцентном слое преобразуется в излучение видимой области спектра и по волокну передается на кремниевый фотоприемник, чувствительный в данной области спектра. Недостатком такого дозиметра является небольшой срок службы из-за деградации полимера и красителя под действием УФ излучения.
3+
3+
Наиболее близким техническим решением является дозиметр УФ излучения (патент РФ №2168716, МПК G01N 21/64, дата приоритета 16.10.1997, опубл. 10.06.2001), принятый в качестве прототипа. Дозиметр содержит средства фильтрации, пропускающие только падающее УФ излучение, пластину фотолюминесцентного материала, содержащего ионы редкоземельных металлов (Tb и Sm), преобразующую ультрафиолетовое излучение в видимое излучение, фильтр, пропускающий только видимую люминесценцию, и фотоприемное устройство, чувствительное в видимой области спектра. Недостатками данного технического решения является то, что чувствительность дозиметра ограничена спектральным интервалом 280-400 нм, а также невозможность проведения измерений в более узком заданном спектральном интервале. Недостатком является также то, что чувствительный элемент дозиметра конструктивно совмещен с фотоприемным устройством, что исключает его использование в условиях высокого уровня электромагнитных помех, а также приводит к снижению чувствительности и искажению результатов измерений из-за нагрева фотоприемного устройства излучением.
Изобретение решает задачи расширения спектрального диапазона измеряемого УФ излучения, а также расширения функциональных возможностей дозиметра, в частности реализации возможности проведения измерений как в узком заданном спектральном интервале или в нескольких заданных спектральных интервалах, так и в широком спектральном интервале УФ излучения, с одновременным повышением устойчивости дозиметра УФ излучения к внешним воздействиям.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что дозиметр УФ излучения содержит чувствительный элемент в виде волокна, изготовленного из калиево-алюмо-боратного стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди (I), передающее оптическое волокно и подвижную кассету с оптическими фильтрами, имеющими полосы пропускания в видимой области спектра со спектральной шириной 20-30 нм.
n
2
n
Известно (Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров, В.А. Цехомский, Т.А. Шахвердов. Широкополосная люминесценция меди в калиево-алюмо-боратных стеклах // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. №3. С. 417-421), что молекулярные кластеры хлорида меди (CuCl) и оксида меди (CuO) в стеклах обладают люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции УФ излучением спектрального интервала 220-400 нм. То есть спектральный интервал проведения измерений расширен на 60 нм по сравнению с прототипом. При этом увеличение длины волны возбуждения люминесценции приводит к длинноволновому спектральному сдвигу полосы люминесценции. Это дает возможность получить информацию о вкладе различных спектральных интервалов УФ излучения в возбуждение люминесценции путем выделения из спектра люминесценции соответствующих спектральных интервалов. При УФ облучении чувствительного элемента дозиметра - волокна, изготовленного из стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди, в нем возникает люминесценция в видимой области спектра. Часть излучения люминесценции захватывается этим волокном и преобразуется в волноводные моды. Сформированный оптический сигнал вводится в передающее оптическое волокно и передается на кассету с оптическими фильтрами, позволяющими выделить из спектра люминесценции спектральный интервал, в котором люминесценция возбуждается определенным спектральным интервалом УФ излучения.
Выделенная с помощью фильтров часть излучения люминесценции передается на приемную площадку фотоприемного устройства, где преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный освещенности чувствительного элемента. Для преобразования освещенности в дозу облучения электрический сигнал фотоприемного устройства умножают на время облучения и на коэффициент пропорциональности. Преимуществом предложенного технического решения является то, что в качестве люминесцентных центров используют молекулярные кластеры хлорида и оксида меди, люминесценция которых возбуждается УФ излучением из спектрального интервала 220-400 нм, причем спектральный интервал люминесценции определяется спектральным интервалом возбуждающего люминесценцию УФ излучения. Преимуществом является также то, что волоконная схема дозиметра позволяет разнести в пространстве оптическую и электронную части дозиметра и разместить электронную часть дозиметра на удалении от источников электромагнитных помех и источников нагрева.
Совокупность признаков, изложенных в формуле, характеризует дозиметр УФ излучения, в котором чувствительный элемент изготовлен из фотолюминесцентного волокна из стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди, оптический сигнал из чувствительного элемента передается по передающему оптическому волокну на фотоприемное устройство, перед которым расположены оптические фильтры. Это позволяет расширить спектральный интервал проведения измерений, а также реализовать возможность проведения измерений как в узком заданном спектральном интервале или в нескольких заданных спектральных интервалах, так и в широком спектральном интервале УФ излучения. Это позволяет также повысить устойчивость дозиметра к внешним воздействиям.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 показаны: спектры возбуждения люминесценции волокна из калиево-алюмо-боратного стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди. Длина волны люминесценции: 1-440 нм, 2-460 нм, 3-500 нм, 4-600 нм.
На фиг. 2 показаны: спектры люминесценции волокна из калиево-алюмо-боратного стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди. Длина волны возбуждения люминесценции: 1-240 нм, 2-320 нм, 3-360 нм, 4-400 нм; 5 - спектральная зависимость чувствительности кремниевого фотодиода BPW21R.
На фиг. 3 показаны: 1 - спектральная зависимость коэффициента пропускания составного оптического фильтра, 2 - спектр люминесценции волокна из калиево-алюмо-боратного стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди при возбуждении люминесценции УФ излучением с длиной волны 350 нм.
На фиг. 4 показана: блок-схема волоконного дозиметра УФ излучения. 1 - чувствительный элемент - волокно из калиево-алюмо-боратного стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди; 2, 4 - отражатели; 3 - цилиндрическая линза из кварцевого стекла; 5, 7 - оптические разъемы; 6 - передающее оптическое волокно; 8 - линза; 9 - подвижная кассета с оптическими фильтрами; 10 - фотодиод; 11 - блок обработки электрического сигнала.
Далее сущность изобретения раскрывается на примерах, которые не должны рассматриваться экспертом как ограничивающие притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Пример
2
2
3
2
3
2
n
2
n
Волокно чувствительного элемента дозиметра УФ излучения изготовлено из калиево-алюмо-боратного стекла следующей системы: KO-AlO-BO-CuO-NaCl. При синтезе стекла данной системы в нем формируются молекулярные кластеры хлорида и оксида меди вида (CuCl) и (CuO), которые обладают люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции УФ излучением. На фиг. 1 и фиг. 2 показаны спектры возбуждения люминесценции и люминесценции волокна с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди, а также спектральная зависимость чувствительности кремниевого фотодиода BPW21R. Из фиг. 1 видно, что спектр возбуждения люминесценции занимает в УФ диапазоне спектральный интервал 220-400 нм в зависимости от длины волны люминесценции. Спектр люминесценции по полувысоте занимает в видимом диапазоне спектральный интервал 400-650 нм и попадает в область спектральной чувствительности кремниевого фотодиода. Таким образом, стекло с нейтральными молекулярными кластерами хлорида и оксида меди позволяет осуществлять спектральное преобразование излучения из широкой спектральной области УФ диапазона в спектральную область чувствительности кремниевого фотодиода. Причем каждому участку спектра люминесценции соответствует свой участок спектра возбуждения люминесценции. Это позволяет, анализируя интенсивность люминесценции в заданном спектральном интервале, ставить ей в соответствие интенсивность УФ излучения соответствующего спектрального интервала.
На фиг. 3 показана спектральная зависимость коэффициента пропускания составного оптического фильтра (кривая 1). Фильтр представляет собой комбинацию многослойного тонкопленочного интерференционного фильтра и двух пластин из цветного оптического стекла СЗС27 и КС11 толщиной 1 мм. Из чертежа видно, что фильтр вырезает из спектра люминесценции волокна (кривая 2 на фиг. 3) участок со спектральной шириной 20 нм. Сравнение с фиг. 1 показывает, что данный фильтр позволяет проводить измерение дозы УФ излучения в спектральном интервале 340-360 нм.
Блок-схема волоконного дозиметра УФ излучения показана на фиг. 4.
Дозиметр состоит из чувствительного элемента в виде волокна из калиево-алюмо-боратного стекла с молекулярными кластерами хлорида и оксида меди 1, отражателей 2 и 4, цилиндрической линзы из кварцевого стекла 3, оптических разъемов 5 и 7, передающего оптического волокна 6, линзы 8, подвижной кассеты с оптическими фильтрами 9, кремниевого фотодиода BPW21R 10 и блока обработки электрического сигнала 11.
Дозиметр работает следующим образом.
2
УФ излучение с помощью цилиндрической линзы 3 фокусируется на волокно чувствительного элемента 1. Использование цилиндрической линзы позволяет увеличить площадь, с которой УФ излучение собирается на чувствительный элемент, и за счет этого увеличить чувствительность дозиметра. УФ излучение в чувствительном элементе возбуждает люминесценцию молекулярных кластеров хлорида и оксида меди в видимой области спектра. Часть излучения люминесценции захватывается волокном чувствительного элемента и преобразуется в волноводные моды. Отражатель 2 возвращает волноводные моды, выходящие из заднего торца волокна чувствительного элемента, снова в волокно. Отражатель 4 возвращает в волокно чувствительного элемента УФ излучение, которое не было поглощено волокном, а также излучение люминесценции, которое не было преобразовано в волноводные моды. Оптический сигнал люминесценции в виде волноводных мод поступает с волокна чувствительного элемента на передающее оптическое волокно 6. Расходящееся излучение на выходе передающего оптического волокна собирается с помощью линзы 8 и поступает на кассету с оптическими фильтрами. Установка фильтра с заданным спектром пропускания позволяет выделить из спектра люминесценции требуемый спектральный интервал, соответствующий анализируемому участку спектра УФ излучения. Выделенный участок спектра люминесценции передается на приемную площадку кремниевого фотодиода 8 и преобразуется в электрический сигнал. При необходимости анализа другого спектрального интервала УФ излучения кассета с оптическими фильтрами сдвигается. При отсутствии в кассете оптического фильтра фотодиод регистрирует весь спектр люминесценции, представляющий собой суперпозицию полос люминесценции, возбужденных различными участками спектра УФ излучения. Это позволяет анализировать интенсивность и дозу УФ излучения интегрально по его спектру. Электрический сигнал с фотодиода поступает на блок обработки электрического сигнала, который выполняет следующие функции: преобразование аналогового сигнала фотодиода в цифровой сигнал; сравнение цифрового сигнала с градуировочной зависимостью; отсчет времени облучения; вычисление дозы облучения; вывод информации в виде, удобном потребителю, например в виде цифровой индикации на дисплее, либо в виде звукового или светового сигнала, указывающего на достижение требуемой дозы или предельно допустимой дозы облучения. Доза облучения Q (Дж/м) определяется по следующей формуле:
Q=V·t·K,
2
где V - сигнал фотодиода (мВ), t - время облучения (с), K - коэффициент пропорциональности, который определяется по градуировочной кривой (Вт/мВ·м), соответствующей заданному спектральному интервалу УФ излучения.
Промышленная применимость
Дозиметр УФ излучения по настоящему изобретению предназначен для использования в тех областях человеческой деятельности, в которых используется УФ излучение:
- медицина - физиотерапия, аутотрансфузия крови, облучение людей солнечным светом;
- сельское хозяйство - парниковая и тепличная агротехнология;
2
3
- биотехнология - синтез витаминов D и D;
- обеззараживание воды, воздуха, одежды, инструментов и продуктов питания;
- материаловедение - определение состава веществ и электронной структуры элементов;
- экология - обнаружение загрязнений окружающей среды;
- люминесцентный анализ.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет расширить спектральный интервал проведения измерений, а также реализовать возможность проведения измерений интенсивности и дозы УФ излучения как в узком заданном спектральном интервале или в нескольких заданных спектральных интервалах, так и в широком спектральном интервале УФ излучения, то есть расширить функциональные возможности дозиметра. Использование в дозиметре волоконной техники позволяет разместить электронную часть дозиметра вне области негативных воздействий - повышенной температуры, электромагнитных помех и др.