Способ определения дозы ионизирующего излучения и волоконно- оптический датчик (его варианты)

 

Изобретение относится к измерению ядерных излучений и рентгеновских лучей и промышленно применимы в оптической дозиметрии, в частности в волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений, позволяющих производить долговременную дозиметрию недоступных для человека частей ядерных установок, мест захоронения радиоактивных отходов и т.п. Решается техническая задача повышения достоверности измерений путем обеспечения однозначной связи между изменением оптических потерь в волоконном световоде и поглощенной дозой ионизирующего излучения, независимо от условий облучения. Волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения содержит волоконный световод 1, состоящий из оболочки 2 и сердцевины 3. Световод 1 содержит легирующую примесь азота и/или водорода, причем концентрации водорода в сердцевине 3 и в оболочке 2 различаются по крайней мере вдвое. Волоконный световод 1 помещают на пути ионизирующего излучения. Измеряют изменение оптических потерь в световоде на полосах поглощения ОН-групп и/или NH-групп, по которому судят о дозе ионизирующего излучения, причем изменения проводят по крайней мере на двух длинах волн. 3 с. и 20 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретения относятся к области измерения ядерных излучений и рентгеновских лучей и промышленно применимы в оптической дозиметрии, в частности в волоконно-оптических датчиках ионизирующих излучений, позволяющих производить долговременную дозиметрию недоступных для человека частей ядерных установок, мест захоронения радиоактивных отходов и т.п.

Известен способ определения дозы ионизирующего излучения, включающий помещение волоконного световода с сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего легирующую примесь, на пути ионизирующего излучения и измерение изменения оптических потерь в световоде, по которому судят о дозе ионизирующего излучения [H. Henschel, O.Kohn, H.U.Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. B69, pp. 307-314 (1992)]. Волоконный световод легируют фосфором, который создает долгоживущие радиационные центры окраски в кварцевом стекле.

Недостатком этого способа является то, что такие центры окраски подвержены термическому распаду. Как следствие, это приводит к ошибке при измерении дозы, показания дозиметра зависят от мощности дозы ионизирующего излучения, вариаций температуры, показания о накопленной дозе частично стираются при прекращении облучения.

Известен способ определения дозы ионизирующего излучения, включающий помещение волоконного световода с сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего легирующую примесь, на пути ионизирующего излучения и измерение изменения оптических потерь в световоде, по которому судят о дозе ионизирующего излучения [H.Harald, F.W.Haesing, E. Gerhard "Compensation of fading effects of radiation-induced loss by multiple wavelengths measurements", Proc. SPIE, vol. 1795, pp. 296-302 (1993)]. Волоконный световод легируют свинцом, который создает долгоживущие радиационные центры окраски в кварцевом стекле.

Недостатком этого способа является то, что такие центры окраски подвержены термическому распаду. Как следствие, это приводит к ошибке при измерении дозы, показания дозиметра зависят от мощности дозы ионизирующего излучения, вариаций температуры, показания о накопленной дозе частично стираются при прекращении облучения.

Известен способ определения дозы ионизирующего излучения, включающий помещение волоконного световода с сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего легирующую примесь, на пути ионизирующего излучения и измерение изменения оптических потерь в световоде, по которому судят о дозе ионизирующего излучения [H.Henschel, O.Kohn, H.U.Schimidt, J.Kirchhof, S.Unger "Radiation-Induced Loss of Rare Earth-Doped Silica Fibres", 4^th European Conference on Radiations and their Effects on Devices and Systems (RADECS'97), Cannes, 16-19 Sept. 1997, Abstracts, pp. K10- K13]. Волоконный световод легируют редкоземельными элементами, которые создают долгоживущие радиационные центры окраски в кварцевом стекле.

Недостатком этого способа является то, что такие центры окраски подвержены термическому распаду. Как следствие, это приводит к ошибке при измерении дозы, показания дозиметра зависят от мощности дозы ионизирующего излучения, вариаций температуры, показания о накопленной дозе частично стираются при прекращении облучения.

При долговременном измерении больших доз (D > 300 Гр) и при малых мощностях дозы в результате термического распада центров окраски наблюдается эффект насыщения наведенного поглощения, что делает в принципе невозможной дозиметрию больших доз при малых мощностях дозы [H.Henschel, O.Kohn, H.U. Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear instruments and Methods in Physics Research, vol. B69, pp. 307-314 (1992)].

Наиболее близким к заявляемому является известный способ определения дозы ионизирующего излучения, включающий помещение волоконного световода с сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего легирующую примесь, на пути ионизирующего излучения и измерение изменения оптических потерь в световоде по крайней мере на двух длинах волн, по которому судят о дозе ионизирующего излучения [H.Harald, F.W.Haesing, E. Gerhard "Compensation of fading effects of radiation-induced loss by multiple wavelengths measurements", Proc. SPIE, vol. 1795, pp. 296-302 (1993)]. Волоконный световод был легирован свинцом.

Недостатком этого прототипа является то, что хотя точность определения дозы и выше, чем в случае измерения оптических потерь только на одной длине волны, показания дозиметра по-прежнему зависят от мощности дозы ионизирующего излучения, вариаций температуры, показания о накопленной дозе частично стираются при прекращении облучения.

Наиболее близким к заявляемому является известный волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения, содержащий легированный волоконный световод с сердцевиной из кварцевого стекла [H.Henschel, O.Kohn, H.U.Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. B69, pp. 307-314 (1992)]. Волоконный световод в качестве легирующей примеси содержит фосфор.

Недостатком этого прототипа является то, что наведенные ионизирующим излучение центры окраски подвержены термическому распаду. Как следствие, это приводит к ошибке при измерении дозы, показания дозиметра зависят от мощности дозы ионизирующего излучения, вариаций температуры, показания о накопленной дозе частично стираются при прекращении облучения.

С помощью заявляемых изобретений решается техническая задача повышения достоверности измерений путем обеспечения однозначной связи между изменением оптических потерь в волоконном световоде и поглощенной дозой ионизирующего излучения, независимо от условий облучения.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения дозы ионизирующего излучения, включающем помещение волоконного световода, имеющего сердцевину из кварцевого стекла и содержащего легирующую примесь, на пути ионизирующего излучения и измерение изменения оптических потерь в световоде по крайней мере на двух длинах волн, по которому судят о дозе ионизирующего излучения, на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, содержащий легирующую примесь азота и/или водорода, причем концентрация легирующей примеси в сердцевине и оболочке различна, а изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на полосах поглощения OH-групп и/или NH-групп.

В частности, средние концентрации легирующей примеси водорода в сердцевине и оболочке различаются не менее, чем в 2 раза.

В частности, средняя концентрация легирующей примеси водорода в сердцевине или оболочке составляет не менее 5 ppm.

В частности, на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, при изготовлении заготовки которого использовалась опорная кварцевая трубка с содержанием групп не менее 100 ppm.

В частности, на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, дополнительно содержащий буферную оболочку, которая расположена между сердцевиной и оболочкой.

В частности, толщина буферной оболочки не превышает 10 мкм.

В частности, в волоконном световоде азотом и водородом легируют сердцевину. В частности, на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, в котором суммарное содержание OH- и NH-групп в сердцевине составляет не менее 10 ppm.

В частности, изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на по крайней мере двух полосах поглощения OH-групп.

В частности, изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на по крайней мере двух полосах поглощения NH-групп.

В частности, изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на по крайней мере двух полосах поглощения, одна из которых полоса поглощения NH-групп, и одна - полоса поглощения OH-групп.

В частности, изменение оптических потерь в световоде измеряют на длинах волн, лежащих в спектральных диапазонах 1,360 - 1,395 мкм, 1,380 - 1,430 мкм, 1,475 - 1,510 мкм и/или 1,490 - 1,560 мкм.

В частности, изменение оптических потерь в световоде измеряют по крайней мере на трех длинах волн, одна из которых лежит в диапазоне 1,420 - 1,470 мкм, другая - в диапазоне 1,480 - 1,530 мкм, третья - в диапазоне 1,540 -1,600 мкм.

В частности, изменение оптических потерь в световоде измеряют по крайней мере на трех длинах волн, одна из которых лежит в диапазоне 1,300 - 1,370 мкм, другая - в диапазоне 1,360 - 1,410 мкм, третья - в диапазоне 1,410 -1,460 мкм.

В частности, для определения пространственного распределения ионизирующего излучения изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют методом обратного рассеяния.

Поставленная задача решается также тем, что известный волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения, содержащий легированный волоконный световод с сердцевиной из кварцевого стекла, в качестве легирующей примеси содержит водород в количестве от 1 до 1000 ppm.

В частности, в волоконном световоде может быть легирована сердцевина или оболочка. Поставленная задача решается также тем, что известный волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения, содержащий легированный волоконный световод с сердцевиной из кварцевого стекла, в качестве легирующих примесей содержит азот в количестве от 0,1 до 3 ат.% и водород в количестве от 10 до 200 ppm, причем азотом и водородом легирована сердцевина.

В частности, для определения пространственного распределения ионизирующего излучения волоконный световод может быть свернут по крайней мере в одну бухту. При этом длина отрезка волоконного световода, свернутого в бухту, может быть много меньше всей длины волоконного световода.

Заявляемые изобретения связаны единым изобретательским замыслом и представляют собой способ определения дозы ионизирующего излучения и варианты двух датчиков, реализующих заявляемый способ.

Сущность заявляемых изобретений состоит в использовании нового эффекта, обнаруженного авторами изобретения [A.L.Tormashuk, E.M.Dianov, K.M.Golant, R. R. Khrapko, D.E.Spinov "Performance of Special Radiation-Hardened Optical Fibres Intended for Use in the Telecom Spectral Windows at a Megagray Level", 4^th European Conference on Radiations and their Effects on Devices and Systems (UADECS'97). Cannes, 16-19 Sept. 1997, Abstracts, pp. K17-K18] и заключающегося в том, что водород, изначально связанный в световоде, в основном, в виде OH-групп, под действием ионизирующего излучения становится мобильным, то есть, связь кислорода и водорода разрывается, а атомы водорода диффундируют. При этом они переходят из сердцевины в оболочку волоконного световода или наоборот по направлению градиента концентрации водорода (эффект радиолитической диффузии водорода) и вновь связываются в OH-групп. Как следствие, поглощение в сердцевине, обусловленное этими группами, изменяется.

Присутствие OH-групп в сердцевине световода проявляется в присутствии нескольких полос поглощения в ближнем ИК диапазоне, обусловленных колебаниями OH-групп. Максимумы этих полос поглощения лежат вблизи 0,95 мкм, 1,13 мкм, 1,24 мкм и 1,39 мкм [J.Stone "Interaction of Hydrogen and Deuterium with Silica Optical Fibers: a Review", J. Lightwave Technology, vol. 5, pp. 712-733 (1987)].

Эффект радиолитической диффузии водорода проявляется, если распределение связанного водорода по сечению световода неравномерно, например, когда оболочка выполнена из "влажного" кварцевого стекла (большая концентрация OH-групп), а сердцевины - из "сухого" кварцевого стекла (содержание OH-групп минимизировано). В процессе облучения амплитуды полос поглощения OH-групп в спектре полных оптических потерь возрастают. Измеряя амплитуду или крутизну фронта одной из полос поглощения OH-групп, определяют общую дозу ионизирующего излучения, поглощенную световодом. Если в состав сердцевины входит азот [E.M.Dianov, K.M.Golant, A.S.Kurkov, R.R.Khrapko, A.L.Tomashuk "Low-hydrogen silicon oxynitride optical Fibres prepared by SPCVD",.J. Lightwave Technol., vol. 13, N 7, pp. 1471-1474 (1995)], то под действием ионизирующего излучения наблюдается другое проявление мобильности водорода: OH-группы, также находящиеся в стекле сердцевины световода, превращаются в NH-группы или наоборот в зависимости от использованных режимов получения заготовок световодов. Полосы поглощения NH-групп несколько смещены по отношению к соответствующим полосам OH-групп и имеют максимумы вблизи 1,03 мкм, 1,17 мкм, 1,28 мкм и 1,50 мкм. В результате эффекта радиолитического перераспределения атомов водорода между OH- и NH-группами соотношения амплитуд полос поглощения OH- и NH-групп изменяется.

Наибольшая чувствительность дозиметрического световода достигается, если измерение проводить на полосах поглощения наибольшей амплитуды (полоса с максимумом вблизи 1,39 мкм в случае OH-групп и с максимумом вблизи 1,50 мкм в случае NH-групп). В некоторых случаях, однако, наилучший результат может достигаться при использовании других полос поглощения OH- или NH-групп с меньшей амплитудой. Например, тогда, когда при больших дозах облучения световода общие оптические потери вблизи 1,39 мкм или 1,50 мкм превышают допустимый уровень измерительной системы.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается необратимостью изменений в сердцевине и оболочке волоконного световода, происходящих вследствие диффузии водорода или его перераспределения между OH- и NH-группами под действием ионизирующего излучения. Эффекты типа термического распада центров окраски отсутствуют. Как следствие, амплитуды полос поглощения на колебаниях OH- и NH-групп оказываются однозначно связанными с дозой ионизирующего излучения, поглощенной волоконным световодом, независимо от мощности дозы и других условий облучения, что гарантирует долговременную стабильность показаний дозиметра. Как следует из экспериментов, стабильность показаний дозиметра имеет место даже при повышении температуры по крайней мере до 200^oC.

При этом световоды, легированные водородом, значительно дешевле световодов, легированных фосфором, свинцом или редкоземельными элементами.

Изобретения поясняются чертежами, где на фиг. 1 и 2 показаны заявляемые волоконные датчики ионизирующего излучения без буферной оболочки и при ее наличии соответственно, на фиг. 3 и 4 - соответствующие профили показателя преломления использованных в заявляемых датчиках световодов, фиг. 5 иллюстрирует метод измерения "на просвет", фиг. 6 и 7 - метод измерения по обратному рассеянию, на фиг. 8 и 9 даны результаты измерений с помощью заявляемых датчиков.

Волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения (фиг. 1) содержит волоконный световод 1, состоящий из оболочки 2 и сердцевины 3. Соответствующий профиль показателя преломления показан на фиг. 3. В альтернативном варианте (фиг. 2) световод 1 дополнительно содержит буферную оболочку 4. Соответствующий профиль показателя преломления показан на фиг.4. Создание дополнительной буферной оболочки 4 с пониженным показателем преломления (например, фторсиликатной) необходимо для удержания света в сердцевине, в частности, в случае, если оболочка 2 сформирована материалом опорной кварцевой трубки, а кварцевая сердцевина 3 не содержит в достаточном количестве легирующих добавок, повышающих показатель преломления.

После изготовления и перед установкой световода для дозиметрии определяют две-три длины волны , на которых будет измеряться изменение амплитуды или крутизна фронтов той или иной полосы поглощения OH- или NH-групп. Для этого известными методами измеряются спектры оптических потерь в световоде (,D) при различных поглощенных дозах ионизирующего излучения D. Если предполагается работать на двух длинах волн, то эти длины волн следует расположить максимально близко друг к другу, на фронте полосы поглощения OH- или NH-групп (например, ₁ = 1,375 мкм и ₂ = 1,385 мкм в случае OH-групп и ₁ = 1,480 мкм и ₂ = 1,490 мкм в случае NH-групп). По результатам измерения (,D) строится калибровочная зависимость амплитуды или крутизны фронта соответствующей полосы поглощения от дозы (D): (D) = (₂,D)-(₁,D) (1) Более точно изменение амплитуды или крутизны полосы поглощения OH- или NH-групп можно определить при работе на трех длинах волн. В этом случае удается более точно выделить "полезный" дозиметрический сигнал на фоне наведенного поглощения, не связанного с изменением амплитуды и крутизны фронтов полос поглощения OH- и NH-групп. Для этого рабочие длины волн ₁ и ₃ выбираются вне соответствующей полосы поглощения, но в непосредственной близости к ней, по разные стороны от нее. Длина волны ₂ выбирается вблизи максимума соответствующей полосы. Например ₁ = 1,360 мкм, ₂ = 1,390 мкм и ₃ 1,420 мкм для полосы поглощения OH-групп и ₁ = 1,475 мкм, ₂ = 1,505 мкм и ₃ = 1,550 мкм для полосы поглощения NH-групп. Если наведенное поглощение, не связанное с изменением амплитуды полосы поглощения OH- (или NH-) групп, линейно меняется в диапазоне длин волн между ₁ и ₃, , то калибровочную зависимость находят в виде: Устройство для измерения методом "на просвет" (фиг. 5) содержит волоконный световод 1, источник белого света 5 (например, галогенную лампу накаливания, типа КГМ-100) с известными оптическими элементами (на фиг. 5 не показаны) для ввода света в световод, а также оптический анализатор спектра 6. Данное устройство используется тогда, когда необходимо контролировать дозу ионизирующего излучения в одной точке.

Это устройство (фиг. 5) работает следующим образом. Бухта 7 со световодом 1 размещается в точке, где необходимо контролировать дозу ионизирующего излучения, а концы световода подводятся к источнику белого света 5 и оптическому анализатору спектра 6 (длина световода в бухте должна многократно превышать длину подводных концов световода, также подверженных действию облучения). Непосредственно после установки световода (до возникновения ионизирующего излучения) измеряют спектр пропускания в световоде 1, относительно которого в процессе дальнейшей работы дозиметра вычисляется поглощение, наведенное ионизирующим излучением. После установки световода и измерения начального спектра пропускания (,0), выраженного в децибелах, дозиметр готов к измерению дозы возможного ионизирующего излучения. Для этого периодически, в моменты времени t, измеряется спектр пропускания световода (,t), из которого, учитывая начальный спектр пропускания, определяется величина (т. е. амплитуда или крутизна фронта) полосы поглощения OH- или NH-групп. При работе на двух длинах волн вычисляют амплитуду или крутизну фронта (t) выбранной полосы OH- или NH-групп по формуле: (t) = (₂,t)-(₁,t). (3) При работе на трех длинах волн вычисляют амплитуду или крутизну фронта (t) выбранной полосы OH- или NH-групп по формуле: По калибровочной зависимости (формулы (1) и (2)), построенной ранее для данного световода и связывающей амплитуду или крутизну полосы поглощения OH- или NH-групп с поглощенной дозой, определяют дозу ионизирующего излучения.

В данном методе вместо спектров пропускания можно измерять непосредственно спектры оптических потерь (_i,t), например, стандартным методом "облома" (см. например [V. A.Bogatyrjov, I.I.Cheremisin, E.M.Dianov, K.M. Golant, A. L. Tomashuk "Super-high-strength metal-coated low-hydroxyl low-chlorine all-silica optical Fibers", IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 43, N 3, Part I, p. 1057- 1060 (1996)]. Расчетные формулы в этом случае аналогичны формулам (3) и (4): (t) = (₂,t)-(₁,t), (5)

Устройства для измерения методом обратного рассеяния (фиг. 6 и 7) содержат волоконный световод 1 и прибор обратного рассеяния 8 (например, AQ7220 фирмы ANDO), который модифицирован известным способом [U.Hilbk, M. Burmeister, B. Hoen, Th. Hermes, J.Saniter, F.- J.Westphal "Selective OTDR measurements at the central office of individual fiber links in a PON", Optical Fiber Communication Conference (OFC'97), 16-21 Feb. 1997, Dallas, USA. Technical Digest. Paper TuK3, p. 54 (1997)] для работы на двух или трех заранее определенных длинах волн. Световод 1 размещают вдоль трассы, на которой должно измеряться распределение дозы. Для повышения чувствительности дозиметра световод в определенных точках по трассе можно свернуть в бухты 7 (фиг. 6). В этом случае доза определяется в дискретном наборе пространственных точек, соответствующих положениям бухт 7.

Устройства для измерения методом обратного рассеяния (фиг. 6 и 7) работают следующим образом. Принцип измерения оптических потерь в световоде методом обратного рассеяния хорошо известен [M.D.Rourke, S.M.Jensen, M.K. Barnoski "Fiber Parameter Studies with the OTDR", Fiber Optics; Advances in Research and Development (Proc. Conf. on Physics of Fiber Optics), Ed. By Bernard Bendow and Shashanka S. Mitra. Plenum Publishing Corporation, pp 255-268 (1979)]. Сразу после установки световода 1 и до возникновения ионизирующего излучения измеряют начальное распределение оптических потерь по длине световода (1,_i,0) на выбранных 2-3 длинах волн (1 обозначает координату по длине световода, в которой измеряется доза). При работе на двух длинах волн вычисляют амплитуду или крутизну фронта (1,0) выбранной полосы OH- или NH-групп по формуле:
(1,0) = (1,₂,0)-(1,₁,0). (7)
При работе на трех длинах волн вычисляют амплитуду или крутизну фронта (1,0) выбранной полосы OH- или NH-групп по формуле:

Индекс "0" в формулах (7) и (8) означает, что измерения проводились в момент времени t=0.

После установки световода 1 измерения начального спектра пропускания и вычисления величины (1,0) дозиметр готов к измерению дозы возможного ионизирующего излучения. Для этого с необходимой периодичностью (в моменты времени t) проводят измерения распределения оптических потерь по длине световода на выбранных 2-3 длинах волн. При работе на двух длинах волн вычисляют амплитуду или крутизну фронта (1,t) выбранной полосы OH- или NH-групп по формуле:
(1,t) = (1,₂,t)-(1,₁,t). (9)
При работе на трех длинах волн вычисляют амплитуду или крутизну фронта (1,t) выбранной полосы OH- пли NH-групп по формуле:

Определяют изменение амплитуды или крутизны выбранной полосы OH- или NH-групп (1,t)-(1,0) и по калибровочной зависимости находят дозу, соответствующую данному изменению.

По плазмохимической технологии SPCVD [E.M.Dianov, K.M.Golant, R.R.Khrapko, A.V.Koropov, A.S.Kurkov "Features of an erbium and a fluorine-doped silica glass synthesis in the SPCVD technology of fiber preform fabrication". Advanced Materials in Optics, Electro-Optics and Communication Technologies, Techna Srl, edited by P. Vencenzini, pp. 441-448 (1995)] изготовили заготовку кварцевого волоконного световода 1, имеющую внешнюю оболочку 2 из нелегированного кварцевого стекла, сформированную материалом опорной кварцевой трубки, осажденную депрессированную фторсиликатную оболочку 4 и осажденную сердцевину из нелегированного кварцевого стекла 3 (фиг. 4). Из этой заготовки методом вытягивания изготовили световод 1 диаметром a=125 мкм с сердцевиной 3 диаметром b=30 мкм, фторсиликатной оболочкой 4 толщиной с=15 мкм и разностью показателей преломления сердцевины и фторсиликатной оболочки n = 0,020. При указанной толщине фторсиликатной оболочки 4 световод 1 не проявлял заметных изгибных потерь и потерь из-за туннелирования света через фторсиликатную оболочку 4.

Количество OH-групп в оболочке 2 и сердцевине 3 световода 1 составляло 130 и 0,05 ppm соответственно. Это достигалось за счет использования опорной трубки из кварцевого стекла Heralux-WG фирмы Heraeus. Синтез кварцевого стекла сердцевины 3 проводили в кислородно-дефицитных условиях, что обеспечило дополнительную осушку стекла за счет соединения атомов водорода и хлора в молекулы HCl. Молекулы HCl в свою очередь уходили из опорной трубки в газовой фазе, что уменьшало вероятность вхождения водорода в сетку стекла.

Перед установкой волоконно-оптического датчика проводили его калибровку - измеряли зависимость амплитуды полос поглощения OH-групп в зависимости от поглощенной дозы по формуле (2) на длинах волн ₁ = = 1,360 мкм, ₂ = 1,391 мкм и ₃ = 1,420 мкм. Установили, что калибровочная зависимость описывается линейным законом:
((D)-(0))/D = 0,8210^-6дБ/км/Гp. (11)
Для некоторых параметров световода 1 зависимость (D) (D) может, вообще говоря, отклоняться от линейной. Тогда необходима подробная регистрация калибровочной кривой во всем требуемом диапазоне доз. При этом сохраняется однозначное соответствие между поглощенной дозой и амплитудой полос поглощения OH-групп, не зависящее от мощности дозы.

На фиг. 8 показан результат измерения дозы гамма-излучения от источника ⁶⁰Co с помощью данного световода 1 по методу "на просвет" (фиг. 5). Длина световода 1 в бухте 7 составила 500 м. Методом облома измерили спектр начальных оптических потерь 9 до начала облучения (фиг. 8). После облучения до дозы 2,55 МГр(Si) повторили измерения спектра оптических потерь (кривая 10 на фиг. 8). Путем вычитания определили спектр наведенного поглощения 11. Видно, что наряду с "полезным" эффектом увеличения амплитуды полосы поглощения OH-групп с центром вблизи 1,39 мкм наблюдается общее приращение оптических потерь. Чтобы выделить "полезный" сигнал на этом фоне провели расчет амплитуды полосы поглощения OH-групп (t) по формуле (6) и, учитывая калибровочную зависимость (2), получили D_эксп=2,45 МГр(Si). Таким образом, доза была определена с точностью 4%.

Для дозиметрического контроля по методу "обратного рассеяния" трассы длиной 20 м с пространственным разрешением 1 м и ожидаемой максимальной дозой ионизирующего излучения 2,5 МГр использовали отрезок волоконного световода 1 длиной 1,02 км. В 20 эквидистантных точках по длине трассы световод 1 сворачивали в бухты 7 (фиг.6) по 50 м световода 1 в каждой бухте 7. Как видно из фиг. 8, затухание сигнала на длинах волн ₁, ₂ и ₃ при максимальной дозе не выходит за динамический диапазон 36 дБ рефлектометра AQ7220 фирмы ANDO с разрешением 0,001 дБ. При этом минимальная регистрируемая доза и точность составляют 24 кГр, т.е. точность измерения дозы выше, чем при измерении по методу "на просвет".

Возможность сопряжения рефлектометров AQ7220 с компьютером позволяет организовать автоматический пересчет распределения оптических потерь в световоде и распределение поглощенной дозы по длине световода.

Для изготовления заготовки для волоконного световода 1 с оболочкой 2 из нелегированного кварцевого стекла, сердцевиной 3 из кварцевого стекла, легированного азотом, и величиной n = 0.01 (фиг. 3) использовали плазмохимическую технологию SPCVD. Опорная кварцевая трубка была изготовлена из стекла Heralux-WG с внешним диаметром 20 мм и толщиной стенок 2 мм. В опорную трубку при температуре 1300^oC подавали смесь состава SiCl₄ + O₂ + N₂ + NH₃ при полном давлении 1 мм рт. ст. Расходы реагентов составляли 10 см³/мин для NH₃, 30 см³/мин для N₂, 120 см³/мин для O₂ и 34 см³/мин для SiCl₄. Сердцевину 3 осаждали в течение 100 проходов плазменного столба вдоль опорной трубки, для чего СВЧ-мощность, подводимую к опорной трубке, изменяли в диапазоне 1 - 5 кВт. Геометрические параметры полученного в результате световода были: a=125 мкм, b=30 мкм.

Перед установкой волоконно-оптического датчика проводили его калибровку - измеряли зависимость амплитуды полосы поглощения NH-групп в зависимости от поглощенной дозы по формуле (2) на длинах волн ₁ = 1,474, ₂ = 1,503 мкм и ₃ = 1,550 мкм. Установили, что калибровочная зависимость описывается линейным законом:
((D)-(0))/D = 5,310^-5дБ/км/Гp. (12)
На фиг. 9 показан результат измерения дозы гамма-излучения от источника ⁶⁰Co с помощью данного световода 1 по методу "на просвет" (фиг. 5). Длина световода в бухте составила 10 м. Методом облома измерили спектр начальных оптических потерь 12 до начала облучения (фиг. 9). После облучения до дозы 2,11 МГр(Si) повторили измерения спектра оптических потерь и путем вычитания построили спектр наведенного поглощения 13 (фиг. 9). Видно, что наряду с "полезным" эффектом уменьшения амплитуды полосы поглощения NH-групп с центром вблизи 1,50 мкм наблюдается общее приращение оптических потерь. Чтобы выделить "полезный" сигнал на этом фоне провели расчет амплитуды полосы поглощения NH-групп (t) по формуле (6) и, учитывая калибровочную зависимость (2), получили D_эксп = 2,20 МГр(Si). Таким образом, доза была определена с точностью 4%. Повысили температуру световода до 200^oC с целью определить температурную стабильность показаний дозиметра. Повторное измерение наведенного поглощения 14 (фиг.9) показано, что выдержка облученного световода 1 при 200^oC в течение 2 часов не привоит к изменению амплитуд полос поглощения OH- и NH-групп, хотя термический распад центров окраски и имеет место. Это подтверждает высокую термическую стабильность заявляемого волоконно-оптического дозиметрического датчика. Провели повторное облучение световода до суммарной дозы 5,27 МГр(Si), измерили наведенное поглощение 15, исходя из которого по формулам (2) и (6) определелили дозу как D_эксп = 5,16 МГр(Si) (точность определения дозы составила 2%).

Для дозиметрического контроля по методу "обратного рассеяния" трассы длиной 20 м с пространственным разрешением 1 м и ожидаемой максимальной дозе ионизирующего излучения ~2,5 МГр(Si) использовали отрезок волоконного световода 1 длинной 20 м, протянутой по длине трассы (фиг.7). Как видно из фиг.9, затухание сигнала на длинах волн ₁, ₂ и ₃ при максимальной дозе не выходит за динамический диапазон 34 дБ (в данной спектральной области) рефлектометра AQ7220 фирмы ANDO с разрешением 0,001 дБ. При этом минимальная регистрируемая доза и точность составляют 19 кГр, т.е. точность измерения дозы выше, чем при измерении по методу "на просвет".

Возможность сопряжения рефлектометров AQ7220 с компьютером позволяет организовать автоматический пересчет распределения оптических потерь в световоде в распределение поглощенной дозы по длине световода.

Формула изобретения

1. Способ определения дозы ионизирующего излучения, включающий помещение волоконного световода, имеющего сердцевину из кварцевого стекла и содержащего легирующую примесь, на пути ионизирующего излучения и измерение изменения оптических потерь в световоде по крайней мере на двух длинах волн, по которому судят о дозе ионизирующего излучения, отличающийся тем, что на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, содержащий легирующую примесь азота и/или водорода, причем концентрация легирующей примеси в сердцевине и оболочке различна, а изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на полосах поглощения ОН-групп и/или NH-групп.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что средние концентрации легирующей примеси водорода в сердцевине и оболочке различаются не менее чем в 2 раза.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что средняя концентрация легирующей примеси водорода в сердцевине или оболочке составляет не менее 5 ppm.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, при изготовлении заготовки которого использовалась опорная кварцевая трубка с содержанием ОН-групп не менее 100 ppm.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, дополнительно содержащий буферную оболочку, которая расположена между сердцевиной и оболочкой.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что толщина буферной оболочки не превышает 10 мкм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в волоконном световоде азотом и водородом легируют сердцевину.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что на пути ионизирующего излучения помещают волоконный световод, в котором суммарное содержание ОН- и NH-групп в сердцевине составляет не менее 10 ppm.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на по крайней мере двух полосах поглощения ОН-групп.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на по крайней мере двух полосах поглощения NH-групп.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют на по крайней мере двух полосах поглощения, одна из которых - полоса поглощения NH-групп и одна - полоса поглощения ОН-групп.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в световоде измеряют на длинах волн, лежащих в спектральных диапазонах 1,360-1,395, 1,380-1,430, 1,475-1,510 и/или 1,490-1,560 мкм.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в световоде измеряют по крайней мере на трех длинах волн, одна из которых лежит в диапазоне 1,420-1,470 мкм, другая - в диапазоне 1,480-1,530 мкм, третья - в диапазоне 1,540-1,600 мкм.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в световоде измеряют по крайней мере на трех длинах волн, одна из которых лежит в диапазоне 1,300-1,370 мкм, другая - в диапазоне 1,360-1,410 мкм, третья - в диапазоне 1,410-1,460.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение оптических потерь в волоконном световоде измеряют методом обратного рассеяния.

16. Волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения, содержащий легированный волоконный световод с сердцевиной из кварцевого стекла, отличающийся тем, что он в качестве легирующей примеси содержит водород в количестве от 1 до 1000 ppm.

17. Датчик по п.16, отличающийся тем, что в волоконном световоде легирована сердцевина.

18. Датчик по п.16, отличающийся тем, что в волоконном световоде легирована оболочка.

19. Датчик по п.16, отличающийся тем, что волоконный световод свернут по крайней мере в одну бухту.

20. Датчик по п. 19, отличающийся тем, что длина отрезка волоконного световода, свернутого в бухту, много меньше всей длины волоконного световода.

21. Волоконно-оптический датчик ионизирующего излучения, содержащий легированный волоконный световод с сердцевиной из кварцевого стекла, отличающийся тем, что он в качестве легирующих примесей сердцевины содержит азот в количестве от 0,1 до 3 ат.% и водород в количестве от 10 до 200 ppm, причем азотом и водородом легирована сердцевина.

22. Датчик по п.21, отличающийся тем, что волоконный световод свернут по крайней мере в одну бухту.

23. Датчик по п. 21, отличающийся тем, что длина отрезка волоконного световода, свернутого в бухту, много меньше всей длины волоконного световода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9