Устройство для измерения пространственного распределения мощности поглощенной дозы ионизирующего гамма-излучения
APPARATUS FOR MEASURING THE SPATIAL DISTRIBUTION OF THE RATE OF THE ABSORBED DOSE OF IONISING GAMMA RADIATION

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:
w
1
2
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). λ-коэффициент теплопроводности теплоизолятора, R, R - 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.
60
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 Со. 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.