Детектор излучения

Авторы патента:


Детектор излучения
Детектор излучения
Детектор излучения
Детектор излучения
Детектор излучения

 


Владельцы патента RU 2616775:

ОПТАСЕНС ХОЛДИНГЗ ЛИМИТЕД (GB)

Изобретение относится к области обнаружения ионизирующего излучения. Сущность изобретения заключается в том, что детектор излучения содержит по меньшей мере одно оптическое волокно, подходящее для распределенного волоконно-оптического акустического/вибрационного измерения рядом с по меньшей мере первым электродом, разнесенным со вторым электродом, с газом между первым и вторым электродами. Технический результат – упрощение конструкции устройства. 5 н. и 35 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способам и аппарату для обнаружения ионизирующего излучения, использующим оптические волокна, и, главным образом, к распределенному волоконно-оптическому детектору излучения.

Существует множество приложений, где желательно обнаруживать и/или осуществлять мониторинг ионизирующего излучения. Например, в ядерной энергетике может быть желательным осуществлять мониторинг уровней радиации в различных местоположениях внутри электростанции. Во многих примерах требуется, чтобы такой мониторинг мог быть выполнен дистанционно и автоматически. Аналогичным образом, радиологические отделения больниц и другие организации, которые используют радиоактивные источники, также могут испытывать необходимость в установленных детекторах излучения.

Детекторы излучения, которые применяются для обеспечения мониторинга в данном местоположении, как правило, бывают газовыми ионизационными детекторами или твердотельными детекторами, такими как полупроводниковые детекторы излучения.

Газовые ионизационные детекторы, такие как хорошо известный счетчик Гейгера-Мюллера, обычно содержат два близкорасположенных электрода в газовой среде с приложенной к электродам разностью потенциалов, которая ниже напряжения пробоя газа. В присутствии ионизирующего излучения некоторые из атомов или молекул газа будут ионизированы, и возникшие в результате электроны и ионы сделают возможным протекание тока между электродами. Это течение тока может быть обнаружено и использовано в качестве указания на присутствие ионизирующего излучения. Величина приложенной разности потенциалов может быть относительно высокой, чтобы привести к лавинному умножению в газе, ведущему к относительно большому импульсу тока для каждого события обнаружения.

Полупроводниковые детекторы излучения работают при помощи измерения результирующего тока, вызванного ионизирующим излучением, создающим в материале детектора пары электрон-дырка. Полупроводниковые детекторы могут обеспечить большее быстродействие, но обычно бывают более дорогими, чем газовые ионизационные детекторы, и могут требовать охлаждения для уменьшения тока утечки.

Такие детекторы излучения работают в данном местоположении для проведения измерения ионизирующего излучения в этом местоположении. Во многих приложениях множество различных детекторов должно быть расположено в разных местоположениях для обеспечения достаточного покрытия, например, чтобы обеспечить достаточное покрытие по площади и/или обеспечить мониторинг в различных местоположениях внутри здания. Каждый детектор должен быть запитан и, как правило, должен быть способен передавать свои показания в удаленное местоположение, такое как один или более центров управления. Поэтому стоимость и сложность установки таких детекторов излучения могут быть довольно существенными.

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают детекторы излучения, которые смягчают по меньшей мере некоторые из этих проблем.

Так, в соответствии с настоящим изобретением обеспечен аппарат детектора излучения, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, подходящее для распределенного волоконно-оптического акустического/вибрационного измерения рядом с по меньшей мере первым электродом, разнесенным со вторым электродом, с газом между первым и вторым электродами.

Во время работы между первым и вторым электродами будет приложена разность потенциалов. Поэтому аппарат может содержать схему для приложения разности потенциалов между первым и вторым электродами. Разность потенциалов может быть относительно высокой, но ниже напряжения пробоя газа. В частности, разность потенциалов может быть достаточно высокой, чтобы присутствие ионизированных атомов/молекул газа вызывало лавинное умножение. Таким образом, в присутствии ионизирующего излучения некоторые атомы/молекулы газа могут быть ионизированы, приводя к каскаду заряженных частиц между электродами, то есть, к созданию искры.

Оптическое волокно находится рядом с электродами и является подходящим для волоконно-оптического распределенного акустического измерения. Распределенное акустическое измерение (РАИ) является известным типом измерения, при котором оптическое волокно разворачивается в качестве измерительного волокна и опрашивается посредством оптического излучения (которое здесь будет принято как означающее видимый свет, а также ультрафиолетовое и инфракрасное излучение). Излучение, которое является обратнорассеянным изнутри оптического волокна, обнаруживается и анализируется для выявления информации об акустическом воздействии, действующем на оптическое волокно в различных продольных секциях измерительного волокна, то есть, в каналах. Обычно опрашивающее оптическое излучение содержит один или более импульсов оптического излучения, и посредством анализа излучения обратного рассеяния в одном или более элементах разрешения по времени может быть обнаружен случайный факт акустического сигнала на одном или более дискретных измерительных участках оптического волокна. Таким образом, датчик РАИ эффективно действует в качестве линейной измерительной решетки измерительных участков оптического волокна, которое может быть (но не обязательно должно быть) смежным. Длина измерительных участков волокна определяется характеристиками опрашивающего излучения и обработкой, примененной к сигналам обратного рассеяния, но обычно могут быть использованы измерительные участки порядка от нескольких метров до нескольких десятков метров или что-то около этого. Заметим, что в том смысле, как он здесь используется, термин "акустический" будет означать любой тип волны сжатия или механического возмущения, которая может привести к изменению натяжения на оптическом волокне, и во избежание неопределенности термин "акустический" будет использоваться с включением в него ультразвуковых и инфразвуковых волн.

В вариантах осуществления настоящего изобретения может быть осуществлен мониторинг оптического волокна с использованием известных способов распределенного акустического измерения. Как упоминалось выше, в присутствии ионизирующего излучения газ может быть ионизирован, и вследствие приложенной между электродами разности потенциалов может возникнуть каскад заряженных частиц, то есть, искра. Этот каскад приведет не только к потоку заряженных частиц, но также создаст волну сжатия в газообразной среде, т.е. акустическую волну. Другими словами, при использовании искра, вызванная присутствием ионизирующего излучения, как правило, будет сопровождаться резким звуком, который может быть относительно интенсивным. Распределенный акустический датчик может обнаружить акустическую волну, сгенерированную этим каскадом, и таким образом обеспечить указание того, что произошел разряд, указывая, таким образом, на присутствие ионизирующего излучения. Распределенный акустический датчик, в сущности, может "стараться услышать" звуки, связанные с искрой или с каскадом заряженных частиц. Количество событий обнаружения во времени даст указание уровня ионизирующего излучения в данном местоположении.

Каскад заряженных частиц генерирует также тепловой сигнал, который может быть дополнительно или альтернативно обнаружен распределенным акустическим датчиком. То есть, искра вызовет нагрев газа и электродов. Если распределенный акустический датчик расположен близко, например, присоединен к одному из электродов, тогда по меньшей мере некоторая часть тепла, сгенерированного каскадом, пройдет в оптическое волокно или по крайней мере в слои покрытия/оболочки. Эта искра может привести к относительно большому изменению температуры в течение относительно короткого периода времени. Это приведет к изменению длины оптического пути в результате модуляции показателя преломления оптического волокна и, возможно, какого-либо теплового расширения материала волокна. Это относительно быстрое нагревание материала покрытия/оболочки волокна может привести к относительно быстрому натяжению типа возмущения. Это термически наведенное изменение длины пути происходит в масштабе времени, который может быть обнаружен распределенным акустическим датчиком в дополнение к волне акустического сжатия или вместо нее. В некоторых случаях обнаружение термически наведенного возмущения может обеспечить более надежное обнаружение событий ионизации.

Специалист в данной области техники поймет, что распределенный акустический датчик сравнивает сигналы, возвращенные от данного измерительного участка волокна в ответ на последовательные опросы этого волокна, для того, чтобы определить какие-либо возмущения, действующие на волокно. Такие датчики могут обеспечить хорошее обнаружение случайных вибраций на акустических частотах. Однако такие датчики, как правило, в меньшей степени способны надежно обнаруживать низкочастотные натяжения и медленные температурные изменения, и такие низкочастотные эффекты, на самом деле, могут быть приняты за шум. Тем не менее, автор настоящего изобретения понял, что эффект нагрева, вызванный каскадом заряженных частиц, приводит к относительно быстрому нагреву, за которым следует более медленное охлаждение, что создает надежный характерный признак в возвратах (сигналов) от распределенных акустических датчиков.

Специалист в данной области техники также поймет, что волоконно-оптическое распределенное измерение температуры (РИТ) на основе оптического волокна представляет собой другой известный метод, который основывается на обнаружении света, который был подвергнут рассеянию Бриллюина и/или Рамана, и анализе этого света для определения его температуры. Следует заметить, что для обеспечения точных измерений большинству РИТ-систем требуются относительно большие усредненные времена и что обычные РИТ-системы, как правило, не имеют ни временного разрешения, ни температурного разрешения для обнаружения тепловых импульсов, производимых каскадом заряженных частиц.

Варианты осуществления по настоящему изобретению, таким образом, используют два разнесенных проводника, чтобы в присутствии ионизирующего излучения генерировать каскад заряженных частиц, но используя распределенный волоконно-оптический акустический датчик, чтобы обнаруживать возмущение, связанное с этим каскадом, которое может быть обусловлено либо волной акустического сжатия, либо тепловым возмущением от этого каскада, либо и тем, и другим.

Таким образом, оптическое волокно выполняет двойную функцию, как измерительное волокно и средство передачи измерительных данных от измерительного местоположения до подходящей станции управления.

В одном варианте осуществления может быть множество пар электродов, разнесенных с интервалами вдоль длины оптического волокна, при этом каждая пара электродов содержит первый и второй электроды. Как упоминалось выше, в РАИ оптическое волокно может обеспечить множество отдельных измерительных участков. Поэтому оптическое волокно могло бы быть опрашиваемо так, чтобы при использовании по меньшей мере некоторые пары электродов были связаны с различными измерительными участками волокна. Это значит, что обнаружение событий, связанных с одной парой электродов в одном местоположении, может быть отличающимся от событий обнаружения, связанных с другой парой электродов в другом местоположении. Таким образом, одно и то же оптическое волокно может быть использовано для раздельного мониторинга событий обнаружения от пар электродов в двух разных местоположениях.

В одном варианте осуществления первый и второй электроды могут быть протяженными электродами, которые простираются на по меньшей мере части длины оптического волокна. Первый и второй электроды могут быть больше, чем 100 м в длину, или больше, чем 500 м в длину, или больше, чем 1 км в длину. Этот вариант осуществления изобретения обеспечивает распределенный детектор ионизирующего излучения.

В этом варианте осуществления первый и второй электроды, как описано выше, будут иметь приложенную к ним разность потенциалов, и любое местоположение вдоль длины электродов (там, где между электродами есть подходящий газ) в присутствии ионизирующего излучения может привести к каскаду заряженных частиц и, таким образом, создать воздействие в соответствующем местоположении. Как упоминалось ранее, оптическое волокно может быть опрошено для обеспечения множества дискретных измерительных участков, и, таким образом, в отдельных измерительных участках оптического волокна могут быть обнаружены возмущения, связанные с событиями ионизации. Это значит, что через область может проходить компоновка протяженных электродов и оптического волокна с фактическим обеспечением множества отдельных детекторов ионизирующего излучения. Таким образом, этот вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает очень удобный способ обнаружения ионизирующего излучения при разнообразии местоположений. Распределенный детектор излучения в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть легко установлен и требует только, чтобы на электроды была подана разность потенциалов (что может быть сделано на одном конце, удаленном от контролируемой области) и оптического опроса с конца оптического волокна, который, опять же, может быть удален от области, в которой осуществляется мониторинг. Таким образом, нет никакой необходимости в сложных компоновках для подачи питания к множеству точечных датчиков или для приема от них данных.

Длина измерительных участков оптического волокна может быть определена в соответствии со свойствами используемого опрашивающего оптического излучения и последующего анализа. Например, оптическое волокно может быть опрошено для обеспечения множества смежных измерительных участков длиной порядка 10 м или что-то вроде этого. Таким образом, каждые 10 м действуют как отдельный детектор. В то время как сгенерированные каждой искрой акустические/тепловые сигналы, то есть, события ионизации, могут быть обнаруживаемыми, маловероятно, что воздействие должно быть обнаружено на более чем одном измерительном участке (в зависимости от компоновки), если только оно не возникнет очень близко у границы между измерительными участками. Таким образом, каждый измерительный участок может обеспечить почти полностью независимый детектор. Как более подробно будет описано ниже, пространственный размер и местоположение измерительных участков внутри оптического волокна при использовании также могут варьироваться посредством изменения характеристик опрашивающего излучения и/или анализа. Это обеспечивает определенную степень гибкости в работе распределенного детектора излучения, которой не существует в точечных фиксированных датчиках.

Этот вариант осуществления требует, чтобы к электродам, которые являются относительно большими по длине, то есть, порядка сотен метров или даже километров в длину, была приложена разность потенциалов. Однако протекание какого-либо значительного тока не требуется, и, таким образом, требования по мощности относительно низкие.

Следует заметить, что в том случае, когда событие ионизации ведет к каскаду заряженных частиц, появится ток, сгенерированный внутри электродов. Такой импульс тока можно будет обнаружить, но для электродов с длинами в сотни метров или более точное обнаружение импульса малого тока может быть затруднено без требования использовать электроды с низким сопротивлением (которые, следовательно, являются дорогостоящими), и при этом могут иметь место значительные проблемы с возможными помехами и отношением сигнал-шум. Однако даже если импульс тока мог бы быть надежно обнаруживаемым, следует заметить, что обнаружение токового импульса указывало бы только на то, что где-то вдоль длины электродов произошло по меньшей мере одно событие ионизации. Для электродов, имеющих длину порядка 500 м или более, это может дать недостаточно информации относительно того, где произошло это событие ионизации. Кроме того, было бы невозможно различить два события, которые происходят в разных местоположениях, но которые генерируют одновременные импульсы тока. Так что просто "взгляд" на возникший ток не дал бы никакой информации относительно местоположения ионизирующего излучения вдоль длины электродов.

Тем не менее, в варианте осуществления настоящего изобретения местоположение ионизирующего излучения может быть определено с точностью до пространственного разрешения измерительных участков оптического волокна, а одновременные события в различных местоположениях могут быть обнаружены раздельно.

Однако в некоторых вариантах осуществления может быть осуществлен мониторинг сгенерированного в электродах тока. Посредством мониторинга протекающего в электродах суммарного электрического тока, а также обнаруженных распределенным волоконно-оптическим датчиком событий ионизации может быть возможным определение некоторой дополнительной информации относительно ионизирующего излучения и/или проведение некоторой калибровки. Например, будем считать, что сначала единственным источником событий ионизации является фоновое излучение. Это может привести к обнаружению событий, происходящих в случайных местоположениях вдоль длины волокна, и может генерировать в электроде ток первой величины. Если позже в данном местоположении волокна будут обнаружены значительно более многочисленные события ионизации, скажем, от нескольких смежных измерительных участков волокна, это может указать, что это местоположение облучает какой-то источник излучения. В этот момент суммарный ток в электродах может увеличиться до второй величины. Можно предположить, что это увеличение тока обусловлено увеличением событий ионизации, действующих на соответствующей секции волокна. Таким образом, увеличение тока дает другое указание относительно количества событий ионизации, происходящих в данном местоположении. Измерение суммарного тока, таким образом, может дать указание относительно количества событий ионизации, случающихся вдоль длины электродов, а также относительно того, как оно изменяется во времени, а распределенный волоконно-оптический датчик обеспечивает локализацию того места, где происходят эти события ионизации, а также другую меру количества событий.

В одном варианте исполнения оптическое волокно может быть присоединено к по меньшей мере одному из первого и второго электродов, то есть, присоединено механически. Это может улучшить соединение акустического воздействия, произведенного каскадом заряженных частиц, с оптическим волокном и/или потока тепла, сгенерированного этим каскадом, от электрода к оптическому волокну. Таким образом, например, оптическое волокно, которое, как правило, будет выполнено в по меньшей мере одном слое покрытия или оболочки, может быть прикреплено, скажем, к первому электроду. Электрод, который присоединен к оптическому волокну, предпочтительно выполнен так, чтобы простираться вдоль того же самого общего направления, что и оптическое волокно.

Оптическое волокно может иметь покрытие или барьерный слой для его защиты от электрического разряда, который происходит в присутствии ионизирующего излучения. Оптическое волокно может быть также покрыто материалом, который защищает это оптическое волокно от повреждения, обусловленного ионизирующим излучением.

Материал между оптическим волокном и электродом может быть выбран так, чтобы иметь требуемые тепловые свойства, например, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла в оболочку оптического волокна, то есть, относительно высокую проводимость и/или тепловую диффузию, и/или, в некоторых случаях, относительно высокий коэффициент термического расширения (хотя вызванная нагревом волокна модуляция показателя преломления, вероятно, будет иметь больший эффект, чем любое термическое расширение).

В одном варианте осуществления первый и/или второй электрод могут быть выполнены внутри кабельной конструкции с оптическим волокном. Другими словами, конструкция волоконно-оптического кабеля может включать в себя по меньшей мере один из первого и второго электрода и может включать в себя оба из них. В том случае, когда кабель включает в себя оба, т.е. первый и второй электроды, электроды могут быть разделены в по меньшей мере некоторых секциях посредством пористого материала, чтобы обеспечить присутствие газа между электродами, и/или между ними может быть по меньшей мере одна пустота, которую можно заполнить газом. Другими словами, кабель может быть сконструирован так, что газ может проникать или содержаться между первым и вторым электродами. В одном варианте осуществления первый и второй электроды могут проходить через ряд полостей, которые при использовании содержат газ. Эти полости могут быть выполнены имеющими размер, который приводит к конкретной резонансной частоте. При событии волны сжатия, вызванной искрой, полость может резонировать на этой резонансной частоте. Обнаружение резонансной частоты может содействовать обнаружению события ионизации.

По меньшей мере один из первого и второго электродов может содержать электропровод. Однако в одном варианте осуществления по меньшей мере один электрод может содержать проводник с дугообразным поперечным сечением. Например, первый электрод может быть выполнен с дугообразным поперечным сечением и выполнен по меньшей мере частично окружающим второй электрод. Первый электрод может быть сформирован в виде трубы. В одном варианте осуществления второй электрод может также иметь дугообразное поперечное сечение и может быть выполнен по меньшей мере частично окружающим оптическое волокно. Второй электрод может содержать трубу.

Газ, разделяющий первый и второй электроды, может быть просто воздухом. Таким образом, первый и второй электроды могут быть разделены, оставляя воздушный зазор, который может быть открыт внешнему окружению, обеспечивая присутствие воздуха между электродами при использовании. Дополнительно или альтернативно, первый и второй электроды могут быть разделены по меньшей мере на своем месте изолирующим материалом, который является пористым по отношению к воздуху, но который сделает возможным каскад заряженных частиц при использовании.

Однако в некоторых вариантах осуществления, особенно, где первый и второй электроды формируют часть конструкции кабеля, электроды могут быть выполнены внутри герметичного окружения. В таком варианте осуществления газ может быть воздухом, который был инкапсулирован во время изготовления конструкции кабеля, но в других вариантах осуществления может быть использован другой газ, если предпочтительно, например, газ, который более легко, чем воздух, ионизируется и/или производит больший акустический сигнал, когда происходит вызванный ионизацией разряд. Внутри герметичного окружения газ, будь то воздух или какой-либо иной газ, может находиться под повышенным давлением. Однако внутри герметичного окружения ионизирующее излучение должно пройти через барьерный слой для достижения газа, чтобы вызывать ионизацию, которая должна быть обнаружена. Материал, использованный в конструкции для герметизации газа от внешнего окружения, может быть выбран так, чтобы иметь минимальное влияние на ионизирующее излучение, то есть позволять значительному количеству ионизирующего излучения проходить в содержащийся газ. Однако в зависимости от типа излучения, которое должно быть обнаружено, например, альфа-излучения, бета-излучения или гамма-излучения, этот материал может быть настроен так, чтобы обеспечить некую степень фильтрации или модуляции достигающего газа ионизирующего излучения.

В общем, поэтому между газом, разделяющим первый и второй электроды, и направлением падения ионизирующего излучения может быть по меньшей мере один барьерный слой. Этот барьерный слой может иметь свойства, настроенные так, чтобы фильтровать конкретные типы ионизирующего излучения. Например, барьерный слой может быть достаточно толстым для поглощения альфа-частиц или блокирования низкоэнергетического излучения.

Барьер может варьироваться вдоль длины электродов и оптического волокна. В первой секции может не быть значительного барьерного слоя, в то время как во второй секции может быть барьерный слой, который, скажем, препятствует достижению альфа-частицами разделяющего электроды газа. Если первая и вторая секции лежат на разных измерительных участках оптического волокна, то акустические/тепловые события, обнаруженные от первой секции, могут указывать общее количество ионизирующего излучения, в то время как возвраты сигнала от второй секции представляли бы просто события ионизации от излучения не альфа-частиц, достаточно энергетического, чтобы пройти барьерный слой.

Как упоминалось выше, в некоторых вариантах осуществления первый и второй электроды могут проходить через различные полости. В одном варианте осуществления по меньшей мере некоторые полости настроены так, чтобы иметь различные резонансные частоты относительно друг друга. По меньшей мере некоторые полости различных резонансных частот могут иметь различные барьерные материалы. Таким образом, некоторые полости могут быть выполнены внутри одного измерительного участка датчика ДАИ при каждой полости, имеющей разный фильтрующий материал. Обнаружение акустического сигнала, обусловленного каскадным разрядом, указывает на событие ионизации, а обнаружение связанной резонансной частоты может указывать на конкретную полость, внутри которой это событие произошло. Потенциально это может дать некоторую информацию относительно характеристик ионизирующего излучения.

Вышеописанные варианты осуществления обнаруживают ионизирующее излучение, которое напрямую ионизирует соответствующий газ. Однако в некоторых вариантах осуществления аппарат детектора дополнительно или альтернативно может быть выполнен с возможностью обнаружения излучения с использованием вторичной ионизации. Таким образом, датчик может содержать материал, который реагирует на падающее излучение испусканием ионизирующего излучения. Например, чтобы обнаружить нейтроны, которые могут не вызывать прямую ионизацию газа, аппарат может содержать поглощающий нейтроны материал, который в ответ на поглощение нейтронов испускает ионизирующее излучение. Таким образом, любые падающие нейтроны могут быть поглощены поглощающим нейтроны материалом, то есть, материалом с высоким поперечным сечением поглощения нейтронов, приводя к вторичной эмиссии ионизирующего излучения из поглощающего нейтроны материала. Это вторичное ионизирующее излучение может вызвать прямую ионизацию газа и, таким образом, привести к искре, которая может быть обнаружена, как описано выше. Подходящим поглощающим нейтроны материалом может быть Boron-10, но известны и другие материалы.

Чтобы изолировать события, обусловленные нейтронами, от излучения, которое вызывает прямую ионизацию, аппарат может содержать по меньшей мере над частью датчика экранирующий слой, который по существу блокирует или ослабляет другие виды ионизирующего излучения. В некоторых вариантах осуществления поглощающий нейтроны материал может содержать по меньшей мере часть экранирующего слоя.

Кроме того, аппарат может быть выполнен с одной или более секциями, реагирующими на нейтроны, например, с экранирующим слоем и с поглощающим нейтроны материалом, а также с одной или более секциями, реагирующими на прямое ионизирующее излучение, то есть, без экранирующего слоя и поглощающего нейтроны материала, при этом каждая секция соответствует различным измерительным участкам датчика РАИ, обеспечивая возможность использования одного и того же аппарата для обнаружения нейтронов, а также прямого ионизирующего излучения.

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают детектор излучения, содержащий вышеописанный аппарат, опрашивающее устройство, присоединенное к оптическому волокну для выполнения распределенного акустического измерения по оптическому волокну, и схему для приложения разности потенциалов к первому и второму электродам.

Однако из вышеизложенного будет ясно, что в то время как могут быть использованы методы распределенного акустического измерения (на основе опроса оптического волокна импульсами оптического излучения, обнаружения излучения обратного рассеяния и анализа такого излучения на изменения вследствие каких-либо изменений длины пути), обнаружение может искать характерные признаки, обусловленные тепловыми событиями, связанными с каскадом заряженных частиц, как в дополнение, так и вместо обнаружения волн акустического сжатия. При этом, во избежание неопределенности, термин "распределенный акустический датчик", как он здесь используется, относится к распределенному волоконно-оптическому датчику, подходящему для распределенного акустического измерения, то есть, датчику, реагирующему на относительно быстрые изменения длины пути измерительного волокна (тем не менее, сгенерированные).

Опрашивающее устройство выполнено с возможностью запуска опрашивающего оптического излучения в оптическое волокно и обнаружения оптического излучения, обратнорассеянного изнутри оптического волокна. Кроме того, опрашивающее устройство может быть выполнено с возможностью обработки обнаруженного излучения обратного рассеяния, чтобы произвести сигнал измерения для каждого из множества измерительных участков оптического волокна, при этом сигнал измерения указывает сигналы, обнаруженные упомянутым измерительным участком.

Аппарат может также содержать процессор для обработки упомянутых сигналов измерения, чтобы обнаруживать сигналы, связанные с событиями ионизации. Например, процессор может анализировать эти сигналы, чтобы обнаруживать сигналы, характерные для искровых или каскадных разрядов, то есть, относительно интенсивных, коротких по длительности акустических сигналов, возможно с характерной частотой или диапазоном частот и/или узких пиков, обусловленных быстрым нагревом с последующим спадом вследствие охлаждения.

При использовании схема для приложения разности потенциалов между первым и вторым электродами может быть выполнена с возможностью модуляции приложенной разности потенциалов во времени.

Разность потенциалов периодически может быть выключена или уменьшена до низкого уровня, который недостаточен, чтобы в ответ на событие ионизации вызвать поток заряженных частиц. Следует понимать, что датчик РАИ будет реагирующим не только на возмущения, сгенерированные событиями ионизации, но также и на другие случайные акустические сигналы. Характерные признаки сигналов, произведенных событиями ионизации, то есть, относительно интенсивные, короткие по длительности акустические сигналы и/или пики в обнаруженном сигнале вследствие быстрого нагрева с последующим медленный спадом назад к базовому уровню вследствие охлаждения, возможно с характерной частотой или диапазоном частот, в некоторых вариантах осуществления могут быть вполне отличимыми от любого акустического сигнала фона. В этом случае обусловленные событиями ионизации сигналы могут быть легко идентифицированы и дифференцированы от любых случайных фоновых шумовых сигналов на оптическом волокне датчика РАИ. Однако по меньшей мере в некоторых вариантах осуществления может быть желательным определение действующего на оптическое волокно фонового шума, чтобы улучшить обнаружение сигналов, обусловленных событиями ионизации. Периодическим снижением разности потенциалов между первым и вторым электродами, так чтобы по существу остановить какие-либо воздействия в ответ на ионизирующее излучение, фоновый шум может быть определен непосредственно и использован в последующей идентификации обусловленных событиями ионизации акустических сигналов.

Дополнительно или альтернативно, разность потенциалов между первым и вторым электродами может быть модулирована во времени, чтобы получить спектроскопическую информацию о каком-либо присутствии ионизирующего излучения. Варьируя разность потенциалов между электродами, также варьируют величину требуемой ионизации, прежде чем произойдет каскадный разряд. Например, относительно низкоэнергетическая частица может ионизировать только несколько молекул/атомов, по мере того, как она проходит через газ. При высокой приложенной разности потенциалов это может привести к каскаду заряженных частиц, поскольку несколько ионов/электронов ускорено, чтобы вызвать лавинное умножение. При низкой приложенной разности потенциалов низкоэнергетическая частица может не произвести достаточное количество ионизированных частиц, чтобы создать каскад. Таким образом, варьируя разность потенциалов между электродами и осуществляя мониторинг количества обнаруженных сигналов, обусловленных каскадными разрядами, может быть определена информация относительно энергосодержания излучения.

Изобретение также относится к способу обнаружения ионизирующего излучения. Таким образом, в другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ обнаружения излучения, содержащий: приложение разности потенциалов между первым и вторым электродами, отделенными друг от друга в газе, причем разность потенциалов является достаточной, чтобы ионизация газа вызывала каскад заряженных частиц между электродами, опрос оптического волокна, развернутого рядом с упомянутыми первым и/или вторым электродами для обеспечения распределенного акустического датчика, и мониторинг упомянутого распределенного акустического датчика в отношении сигналов, связанных с каскадом заряженных частиц.

Способ по этому аспекту изобретения обеспечивает все те же самые выгоды и преимущества, что и первый аспект изобретения, и может работать во всех из тех же самых вариантов осуществления.

В общем, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают распределенный детектор излучения, содержащий первый и второй протяженные электроды, разнесенные относительно друг друга, и распределенный акустический датчик, содержащий измерительное оптическое волокно, развернутое вдоль пути упомянутых первого и второго протяженных электродов.

Изобретение также относится к использованию распределенного акустического датчика для обнаружения сигналов, сгенерированных искрой между двумя электродами, чтобы обнаружить ионизирующее излучение.

Теперь изобретение будет описано лишь в качестве примера со ссылками на нижеследующие чертежи.

Фиг. 1 иллюстрирует обычный распределенный акустический датчик.

Фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления детектора излучения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 иллюстрирует детектор излучения, имеющий множество пар электродов.

Фиг. 4 иллюстрирует вариант осуществления распределенного детектора излучения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 показывает первую конструкцию кабеля в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 6 представляет собой вторую конструкцию кабеля в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления, подходящий для обнаружения нейтронов.

Фиг. 8 иллюстрирует запись спектрограммы с использованием детектора излучения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9а и 9b иллюстрируют две временные последовательности записанных искровых разрядов.

Настоящее изобретение применяет метод распределенного акустического измерения к обнаружению/мониторингу ионизирующего излучения.

Фиг. 1 показывает схему обычной компоновки распределенного волоконно-оптического измерения. Длина измерительного волокна 104 на одном конце разъемно присоединена к опрашивающему устройству 106. Выход из опрашивающего устройства 106 идет в процессор 108 сигнала, который может быть совместно расположен с опрашивающим устройством или может быть удален от него, и, необязательно, в интерфейс/графический дисплей 110 пользователя, который на практике может быть реализован посредством соответствующим образом предусмотренного ПК (персонального компьютера). Пользовательский интерфейс может быть совместно расположен с процессором сигнала или же может быть удален от него.

Измерительное волокно 104 может быть много километров в длину и, например, может быть длиной 40 км или более. Это измерительное волокно может быть стандартным немодифицированным одномодовым оптическим волокном, таким как повседневно используемое в телекоммуникационных приложениях, без необходимости преднамеренно введенных отражательных площадок, таких как волоконная решетка Брэгга или подобное. Возможность использования немодифицированной длины стандартного оптического волокна для обеспечения измерения означает, что может быть использовано дешевое легкодоступное волокно. Однако в некоторых вариантах осуществления волокно может содержать некое волокно, которое изготовлено так, чтобы быть особенно чувствительным к случайным вибрациям. При использовании волокно 104 развернуто в целевой области, в которой должен осуществляться мониторинг.

Во время работы опрашивающее устройство 106 посылает в измерительное волокно опрашивающее электромагнитное излучение, которое, например, может содержать серию оптических импульсов, имеющих выбранную частотную картину. Оптические импульсы могут иметь частотную картину, такую как описано в патентной публикации Великобритании GB2442745, содержание которой введено в данную заявку во всей ее полноте в качестве ссылки, хотя датчики РАИ, основанные на одном опрашивающем импульсе, также известны и могут быть использованы. Заметим, что, как использовано здесь, термин "оптический" не ограничен видимым спектром, а оптическое излучение включает в себя инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Как описано в GB2442745, явление обратного рассеяния Релея приводит к тому, что некоторая порция введенного в волокно света отражается назад к опрашивающему устройству, где он обнаруживается, обеспечивая выходной сигнал, который является отображающим акустические/механические возмущения вблизи волокна. Поэтому опрашивающее устройство содержит по меньшей мере один лазер 112 и по меньшей мере один оптический модулятор 114 для вырабатывания множества оптических импульсов, разделенных известной разностью оптической частоты. Кроме того, опрашивающее устройство содержит по меньшей мере один фотодетектор 116, выполненный с возможностью обнаружения излучения, которое является релеевским, обратнорассеянным от внутренних рассеивающих площадок внутри волокна 104. Датчик РАИ на основе релеевского обратного рассеяния является очень полезным в вариантах исполнения настоящего изобретения, но системы на основе рассеяния Бриллюэна или Рамана также известны и могли бы быть использованы в вариантах осуществления настоящего изобретения.

Сигнал от фотодетектора обрабатывается процессором 108 сигнала. Процессор сигнала обычно демодулирует возвращенный сигнал на основании разности частот между оптическими импульсами, как, например, описано в GB2442745. Процессор сигнала может также применять алгоритм фазовой развертки, как описано в GB2442745. Вследствие этого может осуществляться мониторинг фазы света обратного рассеяния от различных секций оптического волокна. Поэтому могут быть обнаружены любые изменения в эффективной длине оптического пути внутри данной секции волокна, такие, какие бы были обусловлены случайными волнами сжатия, вызывающими натяжение волокна, или быстрым локальным нагревом волоконно-оптического кабеля, вызывающим модуляцию показателя преломления.

Форма оптического ввода и способ обнаружения позволяют, чтобы одно непрерывное волокно было пространственно разрешено на дискретные продольные измерительные участки. То есть, акустический сигнал, измеренный на одном измерительном участке, может быть обеспечен по существу независимо от сигнала на участке рядом. Такой датчик может быть рассмотрен как полностью распределенный или внутренний датчик, поскольку он использует обработку присущего оптическому волокну внутреннего рассеяния и, таким образом, распределяет функцию измерения на протяжении всего оптического волокна. Пространственное разрешение измерительных участков оптического волокна, например, может составлять 10 м, что для непрерывной длины волокна порядка 40 км, скажем, обеспечивает 4000 независимых акустических каналов или что-то около того, развернутых вдоль 40 километров волокна.

РАИ использовались во многих окружениях, например, для мониторинга периметра. Варианты осуществления настоящего изобретения используют РАИ для реализации детектора излучения.

Принцип детектора излучения будет проиллюстрирован со ссылкой на фиг. 2. Фиг. 2 слева показывает вид в разрезе, а справа - вид сбоку детектора излучения согласно одному варианту осуществления изобретения. Фиг. 2 показывает оптическое волокно 104, которое является измерительным оптическим волокном, таким как описанное выше со ссылкой на фиг. 1, рядом с первым электродом 201. Первый электрод отделен воздушным зазором d от второго электрода 202. Электроды 201 и 202 могут быть подходящими проводящими электродами, например, электропроводами или тому подобным. Эти электроды удерживаются отдельно на требуемом расстоянии d посредством поддерживающей конструкции, такой как изолирующие разделители 203, а при использовании пространство между электродами заполнено газом. В некоторых вариантах осуществления зазор между электродами может быть открыт локальному окружению, и поэтому при использовании этот зазор может заполняться воздухом.

При использовании к электродам 201 и 202 посредством подходящей схемы (на фиг. 2 не показана) приложена разность потенциалов, V. Приложенная разность потенциалов является относительно высокой, но ниже напряжения пробоя соответствующего газа. Приложенная разность потенциалов может быть, например, порядка 3 кВ/м (на основании разнесения d между электродами). Таким образом, при отсутствии ионизирующего излучения приложенное напряжение является недостаточным, чтобы вызвать пробой газа.

Однако в присутствии ионизирующего излучения это ионизирующее излучение может привести к возникновению события 204 ионизации, при котором один или более атомов или молекул газа ионизируются. Образовавшиеся в результате электроны и ионы будут ускорены посредством относительно высокой разности потенциала и могут вызвать лавинное умножение. Поэтому к электродам может потечь каскад заряженных частиц (в зависимости от относительной полярности). Фактически ионизирующее излучение ионизирует достаточно атомов или молекул газа, чтобы привести к каскадному разряду, то есть, искре. Это приведет к мгновенному потоку тока, но, кроме того, создаст в газе акустическую волну. Это акустическое воздействие будет случайным на измерительном оптическом волокне и может быть обнаружено в виде акустического воздействия, как описано выше.

Каскад заряженных частиц, то есть, искра, вызовет нагрев электрода 201 вблизи искры. По меньшей мере некоторое количество этого тепла может перетечь в оптическое волокно 104 и привести к относительно быстрому изменению длины пути, например, от модуляции показателя преломления оптического волокна. Это может привести к обнаруживаемому изменению в сигнале измерения от оптического волокна подобным образом, как если бы неожиданно было приложено натяжение. Нагрев будет относительно быстрым, скажем, порядка 10 мс или около этого. Затем волокно охладится за период, скажем, полсекунды или около этого. Этот эффект может производить характерный признак в сигнале измерения от датчика РАИ с быстрым изменением с последующим медленным спадом назад к предшествующему уровню, который также может быть обнаружен. Таким образом, в дополнение к обнаружению сигнала внезапной интенсивности в ответ на волну акустического сжатия или вместо этого, может быть обнаружен сигнал, обусловленный быстрым нагревом, вызванным искрой.

Варианты осуществления настоящего изобретения, таким образом, используют датчик РАИ для эффективного мониторинга искр, возникающих вследствие событий газового разряда в присутствии ионизирующего излучения. Количество таких событий, обнаруженных на каждом измерительном участке в зависимости от времени, может быть использовано, чтобы дать указание о величине ионизирующего излучения на каждом измерительном участке оптического волокна.

Чтобы максимизировать акустический сигнал, обнаруженный оптическим волокном 104, волокно может быть присоединено к по меньшей мере одному электроду. Как показано на фиг. 2, оптическое волокно присоединено к электроду 201 и разнесено с электродом 202, хотя в другом варианте осуществления второй электрод 205 мог бы быть установлен так, чтобы тоже быть присоединенным к оптическому волокну. Присоединение волокна к одному из электродов, кроме того, будет максимизировать перенос обусловленного искрой тепла от этого электрода к волокну и, таким образом, максимизировать тепловой признак.

Чтобы защитить оптическое волокно от искры, оптическое волокно может быть размещено в покрытии 206 (которое может быть частью обычного материала оболочки для оптического волокна или дополнительным защитным слоем). Покрытие 206 может быть выбрано так, чтобы защищать волокно, но также обеспечивать требуемые тепловые свойства, такие как высокая тепловая диффузия или проводимость.

Оптическое волокно может быть развернуто рядом с множеством пар первых и вторых электродов, как показано на фиг. 3, которая иллюстрирует оптическое волокно, проходящее мимо первой пары электродов 201а и 202а и второй пары электродов 201b и 202b. Датчик РАИ может быть выполнен так, чтобы по меньшей мере некоторые из пар электродов лежали на разных измерительных участках. Таким образом, пара 201а и 202а электродов лежит на первом измерительном участке 104а, а пара 201b и 202b электродов лежит на втором измерительном участке 104b.

Однако в некоторых вариантах осуществления электроды 201 и 202 могут быть протяженными электродами порядка сотен метров или более в длину. Фиг. 4 показывает вариант осуществления, в котором оптическое волокно 104 имеет первый электрод 201 и второй электрод 202, проходящие вдоль значительного участка его длины. Измерительное волокно может быть опрашиваемо для обеспечения множества измерительных участков, как обсуждалось выше. Каждый измерительный участок будет обнаруживать акустические события, обусловленные каскадным разрядом внутри этого измерительного участка. Таким образом, местоположение различных событий ионизации может быть обнаружено в пределах пространственного разрешения измерительных участков оптического волокна. Как упоминалось выше, система РАИ может быть применена на оптических волокнах порядка вплоть до 40 км или больше в длину с пространственными измерительными участками обнаружения порядка 10 м или около этого в длину, обеспечивая 4000 измерительных каналов.

Чтобы обеспечить измерение излучения в сериях местоположений, например, внутри здания, оптическое волокно с протяженными электродами, такими как электропровода (то есть, обычный медный провод или подобное), может быть уложено по строению в требуемой конфигурации. Оптическое волокно и электроды могут быть выполнены окружающими основные местоположения. В зонах, где требуется повышенная чувствительность, оптическое волокно и электроды могут быть выполнены имеющими множество петель так, чтобы максимизировать изменения обнаружения. Кроме того, волокно и электроды могут быть выполнены в конфигурациях с возможностью варьирования эффективного пространственного разрешения датчика, например, если волокно опрашивается, чтобы обеспечить измерительные участки 10 м в длину, а участок оптического волокна по меньшей мере 10 м в длину выполнен в пределах расстояния 1 м в данном местоположений, тогда эффективное пространственное разрешение этого участка составит 1 м.

В зависимости от типа обнаруживаемого излучения оптическое волокно и электроды могут быть расположены прикрепленными к стенным конструкциям или находящимися внутри них, например, внутри полостей в стенах, выполненными так, чтобы проходить по или под полом и/или через потолочные пространства, или прикрепленными на блоках.

Одно волокно порядка нескольких километров в длину, расположенное вдоль электродов аналогичной длины, может обеспечить значительную степень покрытия, но только при этом требуется то, что опрашивающее устройство 106 должно быть присоединено на одном конце так, как показано на фиг. 1. Кроме того, разность напряжений может быть приложена на одном конце каждого из первого и второго электродов посредством подходящей схемы 401, как показано на фиг. 4. Таким образом, объединенные оптическое волокно и электроды могут выходить из подходящей комнаты управления, которая вмещает опрашивающее устройство 106 и схему 401.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения, таким образом, могут требовать относительно высокой разности потенциала, которая должна быть приложена к проводникам, которые составляют многие сотни метров и даже километров в длину, не требуется, чтобы протекал какой-либо значительный ток, и, таким образом, требования по мощности относительно умеренные.

Ясно, что датчики должны быть развернуты так, чтобы предотвратить аварийное короткое замыкание, а схема 401 может иметь ограничивающую ток схему для предотвращения прохождения значительного тока.

Электроды и оптическое волокно могут быть удобно сформированы в кабельную конструкцию, которая поддерживает электроды и оптическое волокно и обеспечивает конструктивное единство и защиту. В одном варианте осуществления, как показано на фиг. 5, компоновка, такая как показанная на фиг. 2, с оптическим волокном 104, присоединенным к электродам 201 и 202, расположена внутри подходящего материала 501 внешней оболочки, которая может быть заполнена пористым материалом 502. Пористым материалом 502 может быть структура с множеством пустот или зазоров, позволяющих заходить газу. Вообще пористый материал должен быть изолирующим, чтобы разность потенциалов между электродами поддерживалась благодаря наличию достаточного количества пор, чтобы обеспечивать искровой разряд в присутствии ионизирующего излучения.

Материал оболочки, предпочтительно, не блокирует ионизирующее излучение, которое требуется для обнаружения, и, таким образом, в некоторых примерах может быть относительно тонким и/или перфорированным, чтобы позволить излучению, такому как альфа-частицы, достигать газа.

В другом варианте осуществления, как показано на фиг. 6, первые и вторые электроды могут быть выполнены по существу как дугообразные проводники, по меньшей мере частично окружающие друг друга и/или оптическое волокно.

Фиг. 6 показывает оптическое волокно 601, окруженное первым трубчатым проводником 602, которые оба окружены вторым трубчатым проводником 603. Оптическое волокно 601 может быть защищено материалом 604 защитной оболочки для защиты от искрового разряда. Материал оболочки может быть выбран так, чтобы обеспечить требуемые тепловые свойства, то есть, проводимость тепла к оптическому волокну 601, чтобы максимизировать тепловой признак, обнаруживаемый оптическим волокном 601. Пространство 605 между первым и вторым электродами 602 и 603 может быть практически пустым или может быть заполнено пористым материалом, как описано выше. В некоторых вариантах осуществления газ внутри кабельной конструкции герметизирован относительно внешнего окружения. Это позволяет использовать газ, отличный от воздуха, и/или позволяет, чтобы газ был под давлением. Однако в других вариантах осуществления существует путь проникновения потока от внутренней части кабельной конструкции наружу, например, через одно или более отверстий 606 во втором электроде 606. Чтобы поддерживать целостность конструкции, может существовать одна или более опорных конструкций 607.

Детектор излучения в соответствии с этим аспектом изобретения работает как ранее, достигающее газ ионизирующее излучение может вызывать события ионизации со связанными с ними акустическими/тепловыми сигналами, которые могут быть обнаружены. Следует принимать во внимание, что присутствие второго электрода 603, окружающего воздушный зазор, может предотвращать достижение газа некоторой частью излучения. Поэтому детектор излучения по своему существу может обнаруживать только ионизирующее излучение выше определенной энергии. Однако в других вариантах осуществления второй электрод может быть перфорирован во многих местах, чтобы обеспечить окна входа для излучения.

Эта конструкция может содержать по меньшей мере один слой внешней оболочки 608, который может защищать конструкцию датчика и/или может быть выполнен обеспечивающим дополнительную фильтрацию посредством разрешения прохода только определенным типам или энергиям ионизирующих излучений. Однако повторно внешняя оболочка может быть обеспечена одним или более отверстиями 609, чтобы разрешить потоки воздуха и/или предоставить окна входа для излучения.

Покрывающий материал может варьироваться вдоль длины кабельной конструкции так, чтобы ее разные местоположения были чувствительны к различным типам/энергиям излучения. Покрытие может быть разным в секциях порядка длины измерительных участков волокна так, чтобы различные измерительные участки отвечали по-разному. Однако в одном варианте осуществления воздушный зазор 605 может быть разделен на серию полостей вдоль длины кабельной конструкции с регулируемой длиной каждой полости, чтобы давать различную резонансную частоту. Затем искра в некой полости производит акустический сигнал, который имеет относительно сильную составляющую на резонансной частоте этой полости. Различные покрытия могут варьироваться в соответствии с различными полостями.

Схема для приложения разности потенциалов 401 может также быть выполнена с возможностью модуляции приложенной разности потенциалов во времени.

Разность потенциалов периодически может выключаться или уменьшаться до низкого уровня, который является недостаточным, чтобы вызвать каскад заряженных частиц в ответ на событие ионизации. Посредством периодического снижения разности потенциалов между первым и вторым электродами так, чтобы по существу остановить какое-либо возбуждение в ответ на ионизирующее излучение, может быть напрямую определен фоновый шум и использован в последующей идентификации акустических сигналов, обусловленных событиями ионизации.

Разность потенциалов между первым и вторым электродами также может быть модулирована во времени так, чтобы определить спектроскопическую информацию относительно присутствия какого-либо ионизирующего излучения. Варьируя разность потенциалов между электродами, также варьируют требуемую величину ионизации, прежде чем произойдет каскадный разряд. Таким образом, варьированием разности потенциалов и мониторингом количества акустических сигналов, обусловленных каскадными разрядами, может быть определена информация относительно энергосодержания излучения.

Вышеописанные варианты осуществления будут определять ионизирующее излучение, которое непосредственно ионизирует соответствующий газ. Однако в некоторых вариантах осуществления аппарат детектора выполнен с возможностью обнаружения излучения с использованием вторичной ионизации, как показано на фиг. 7. Фиг. 7 иллюстрирует датчик, подходящий для обнаружения нейтронов, которые могут не вызывать направленную ионизацию газа. В дополнение к оптическому волокну 104 и первому и второму электродам 201 и 202 аппарат может содержать поглощающий нейтроны материал 703, который в ответ на поглощение нейтронов испускает ионизирующее излучение. Поглощающий нейтроны материал расположен в экранирующем материале 701 рядом с воздушным зазором 702. Воздушный зазор содержит газ между электродами. Экранирующий материал блокирует непосредственное ионизирующее излучение, но разрешает прохождение нейтронов. Любые падающие нейтроны могут быть поглощены поглощающим нейтроны материалом 702, то есть материалом с высоким поперечным сечением поглощения нейтронов, таким как Boron-10, с получающейся в результате вторичной эмиссией ионизирующего излучения из поглощающего нейтроны материала. Это вторичное ионизирующее излучение может вызвать прямую ионизацию газа и, таким образом, привести к искре, которая может быть обнаружена, как описано выше.

Чтобы проиллюстрировать принципы работы вариантов осуществления настоящего изобретения, оптическое волокно, имеющее акрилатный материал оболочки, было покрыто серебром (используя серебряное DAG-покрытие) для формирования первого электрода в качестве внешнего слоя оптического волокна (подобного элементам 601, 604 и 602, проиллюстрированным на фиг. 6). Затем комбинация волокно/электрод была расположена в воздухе вблизи второго электрода, который представлял собой медный проводник. Между первым и вторым электродами была приложена разность потенциалов в 5 кВ, а расстояние между электродами было установлено на разнесение, чуть большее, чем разнесение, которое приводит к спонтанному электрическому разряду. Другими словами, электроды были расположены так, чтобы электрическое поле вокруг волокна было чуть ниже напряжения пробоя воздуха. В этой экспериментальной компоновке разнесение между электродами было около 3 мм.

Источник Am-241 с 0,9 мкКи был использован для получения альфа-излучения с 5,5 МэВ. Когда источник был в тесной близости с сильным электрическим полем вблизи с волокном, следы ионизации от альфа-частиц были достаточными для возникновения электрических разрядов. Расстояние и угол источника удерживались так, чтобы скорость разрядов оставалась низкой.

Оптическое волокно опрашивалось с использованием опрашивающего устройства распределенного акустического измерения. Опрашивающее устройство РАИ многократно опрашивало волокно одиночными импульсами оптического излучения и обнаруживало излучение, которое являлось релеевским обратным рассеянием изнутри волокна, и генерировало сигнал измерения на основе вариаций интенсивности измерения между последовательными опросами.

Фиг. 8 показывает спектрограмму трехминутной записи, снятой с волокна, которое подвергалось воздействию индуцированной ионизирующим излучением искровой разрядки. На 106 секунде и 165 секунде записи медный проводник был поднесен слишком близко к волокну, что привело к продолжительному спонтанному электрическому разряду. Таким образом, пики на частоте, обозначенной 801, являлись результатом такого непрерывного разряда.

Тем не менее, можно видеть, что на спектрограмме есть ряд и других пиков, по меньшей мере некоторые из которых помечены 802, которые обусловлены индуцированным излучением разрядом. Таким образом, можно видеть, что возмущения, созданные идуцированным излучением каскадом заряженных частиц, могут быть четко обнаружены в возвратах сигнала от распределенного акустического датчика.

Фиг. 9а и 9b иллюстрируют временные серии данных от типичных искровых разрядов. Они иллюстрируют мощность/интенсивность света обратного рассеяния, обнаруженные по данному измерительному каналу относительно времени, причем последовательные выборки получены при частоте дискретизации 2,5 кГц. Можно видеть, что существует заметное быстрое изменение в интенсивности обнаруженного обратного рассеяния с более медленным спуском назад к базовому уровню.

Время нарастания до полумаксимума составляет примерно 10 мс, а постоянная времени затухания составляет примерно 0,5 секунды. Представляется, что эти признаки искр преимущественно происходят от подводимой тепловой мощности, то есть, быстрого нагрева до максимума с последующим медленным спадом назад к комнатной температуре. Период в 10 мс или около этого для нагрева согласуется с тем, что может быть ожидаемым для тепловой диффузии мгновенного импульса энергии, чтобы достичь центра оптического волокна. Тепло будет проводиться вдоль волокна, но это не должно значительно изменить амплитуду сигнала, поскольку общее расширение, приблизительно, должно остаться тем же самым (в первом приближении и тепловое расширение, и изменение температуры являются линейными).

Имея в виду охлаждение, тепло будет потеряно в окружение в результате его отдачи в воздух теплопроводностью/конвекцией и излучением. Были проведены испытания покрытого волокна при нагреве с использованием источника тепла в течение нескольких сотен микросекунд и наблюдением изменения частоты со временем, когда волокно охлаждалось. Наблюдалось время охлаждения в несколько секунд. Таким образом, временные серии, обнаруженные для искровых разрядов, согласуются с нагревом и охлаждением оптического волокна вследствие разряда.

Поэтому можно видеть, что вызванные ионизирующим излучением разряды между электродами могут быть обнаружены при использовании метода распределенного акустического измерения на оптическом волокне, расположенном вблизи и, предпочтительно, присоединенном по меньшей мере на электродах.

Настоящее изобретение было описано относительно различных вариантов осуществления. Если специально не оговорено иное, различные описанные признаки могут быть объединены между собой, и признаки одного варианта осуществления могут быть применены в других вариантах осуществления.

Следует заметить, что упомянутые выше варианты осуществления скорее иллюстрируют, чем ограничивают изобретение, и что специалист в данной области техники сможет разработать много альтернативных вариантов осуществления, не выходя за рамки объема приложенных пунктов формулы изобретения. Слово "содержащий" не исключает присутствия других элементов или этапов, чем те, которые перечислены в каком-либо пункте, признаки единственного числа не исключают множественности, а один элемент или другое устройство может выполнять функции нескольких устройств, перечисленных в пунктах формулы изобретения. Любые ссылочные позиции или знаки в пунктах формулы изобретения не должны истолковываться как ограничивающие их объем.

1. Аппарат детектора излучения, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, подходящее для распределенного волоконно-оптического акустического/вибрационного измерения рядом с по меньшей мере первым электродом, разнесенным со вторым электродом, с газом между первым и вторым электродами.

2. Аппарат детектора излучения по п. 1, содержащий схему для приложения разности потенциалов между первым и вторым электродами.

3. Аппарат детектора излучения по п. 2, причем приложенная разность потенциалов достаточно высока, чтобы присутствие ионизированных атомов/молекул газа вызывало лавинное умножение.

4. Аппарат детектора излучения по п. 1, содержащий множество пар электродов, разнесенных с интервалами вдоль длины оптического волокна, при этом каждая пара электродов содержит первый и второй электроды.

5. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем первый и второй электроды являются протяженными электродами, которые простираются на по меньшей мере части длины оптического волокна.

6. Аппарат детектора излучения по п. 5, причем первый и второй электроды составляют больше чем 100 м в длину.

7. Аппарат детектора излучения по п. 5, причем первый и второй электроды составляют больше чем 1 км в длину.

8. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем оптическое волокно присоединено к по меньшей мере одному из первого и второго электродов.

9. Аппарат детектора излучения по п. 8, причем оптическое волокно прикреплено к первому электроду.

10. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем оптическое волокно содержит покрытие или барьерный слой для его защиты от электрического разряда, который происходит в присутствии ионизирующего излучения.

11. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем оптическое волокно содержит покрытие или барьерный слой для его защиты от повреждения, обусловленного ионизирующим излучением.

12. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем оптическое волокно содержит покрытие или барьерный слой для его защиты, причем первый и/или второй электроды выполнены внутри кабельной конструкции с оптическим волокном.

13. Аппарат детектора излучения по п. 12, причем первый и второй электроды в по меньшей мере некоторых секциях разделены пористым материалом, чтобы обеспечить присутствие газа между электродами.

14. Аппарат детектора излучения по п. 12 или п. 13, причем между первым и вторым электродами существует по меньшей мере одна пустота, которую можно заполнить газом.

15. Аппарат детектора излучения по п. 12, причем первый и второй электроды проходят через ряд полостей, которые при использовании содержат газ.

16. Аппарат детектора излучения по п. 15, причем полости выполнены имеющими размер, который приводит к конкретной резонансной частоте.

17. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем по меньшей мере один из первого и второго электродов содержит электропровод.

18. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем по меньшей мере один электрод содержит проводник с дугообразным поперечным сечением.

19. Аппарат детектора излучения по п. 18, причем первый электрод сформирован в виде трубы.

20. Аппарат детектора излучения по п. 19, причем второй электрод выполнен по меньшей мере частично окружающим оптическое волокно.

21. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем газ, разделяющий первый и второй электроды, является воздухом.

22. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем первый и второй электроды выполнены внутри герметичного окружения.

23. Аппарат детектора излучения по п. 1, содержащий по меньшей мере один барьерный слой между газом, разделяющим первый и второй электроды, и направлением падения ионизирующего излучения.

24. Аппарат детектора излучения по п. 23, причем барьерный слой имеет свойства, настроенные на фильтрацию конкретного типа ионизирующего излучения.

25. Аппарат детектора излучения по п. 24, причем барьерный слой варьируется вдоль длины электродов и оптического волокна.

26. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем аппарат детектора выполнен с возможностью обнаружения излучения с использованием вторичной ионизации.

27. Аппарат детектора излучения по п. 26, содержащий материал, который реагирует на падающее излучение испусканием ионизирующего излучения.

28. Аппарат детектора излучения по п. 27, содержащий поглощающий нейтроны материал, который испускает ионизирующее излучение в ответ на поглощение нейтронов.

29. Аппарат детектора излучения по п. 28, содержащий на по меньшей мере части датчика экранирующий слой, который по существу блокирует или ослабляет другие виды ионизирующего излучения.

30. Аппарат детектора излучения по п. 1, причем оптическое волокно присоединено к по меньшей мере одному из электродов так, чтобы сделать возможной эффективную передачу тепла от этого электрода к оптическому волокну.

31. Детектор излучения, содержащий аппарат по любому предшествующему пункту, опрашивающее устройство, присоединенное к оптическому волокну для выполнения распределенного акустического измерения по оптическому волокну, и схему для приложения разности потенциалов к первому и второму электродам.

32. Детектор излучения по п. 31, причем опрашивающее устройство выполнено с возможностью запуска опрашивающего оптического излучения в оптическое волокно и обнаружения оптического излучения, обратнорассеянного изнутри оптического волокна.

33. Детектор излучения по п. 32, причем опрашивающее устройство выполнено с возможностью обработки обнаруженного излучения обратного рассеяния, чтобы произвести сигнал измерения для каждого из множества измерительных участков оптического волокна, при этом сигнал измерения указывает сигналы, обнаруженные упомянутым измерительным участком.

34. Детектор излучения по п. 33, содержащий процессор для обработки упомянутых сигналов измерения, чтобы обнаруживать сигналы, связанные с событиями ионизации.

35. Детектор излучения по п. 31, причем схема для приложения разности потенциалов к первому и второму электродам выполнена с возможностью модуляции приложенной разности потенциалов во времени.

36. Детектор излучения по п. 35, причем разность потенциалов является периодически выключаемой или уменьшаемой до низкого уровня, который недостаточен, чтобы вызвать каскад заряженных частиц в ответ на событие ионизации.

37. Детектор излучения по п. 35, причем разность потенциалов между первым и вторым электродами модулирована во времени так, чтобы определить спектроскопическую информацию относительно присутствия какого-либо ионизирующего излучения.

38. Способ обнаружения излучения, содержащий: приложение разности потенциалов между первым и вторым электродами, отделенными друг от друга в газе, причем разность потенциалов является достаточной, чтобы ионизация газа вызывала каскад заряженных частиц между электродами, опрос оптического волокна, развернутого рядом с упомянутыми первым и/или вторым электродами для обеспечения распределенного акустического датчика, и мониторинг упомянутого распределенного акустического датчика в отношении сигналов, связанных с каскадом заряженных частиц.

39. Распределенный детектор излучения, содержащий первый и второй протяженные электроды, разнесенные относительно друг друга, и распределенный акустический датчик, содержащий измерительное оптическое волокно, развернутое вдоль пути упомянутых первого и второго протяженных электродов.

40. Применение распределенного акустического датчика для обнаружения акустических сигналов, сгенерированных искрой между двумя электродами, чтобы обнаружить ионизирующее излучение.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а именно гамма-излучения с применением газоразрядных счетчиков. Способ измерения высоких уровней мощности дозы гамма-излучения заключается в том, что измерения проводят с применением газоразрядного счетчика, питающегося от источника линейно изменяющегося высокого напряжения, при этом сформированные на счетчике импульсы при регистрации гамма-кванта поступают на пересчетную схему после амплитудной дискриминации, осуществляемой двухуровневой пороговой схемой. .

Использование: для преобразования воздействия ионизирующего излучения в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что на полированной пластине, вырезанной из слитка сверхчистого кремния n-типа проводимости формируется сенсор, для чего последовательно производятся первая химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов, имплантация ионов примеси р-типа проводимости в рабочую сторону пластины и ионов примеси n-типа проводимости в нерабочую сторону пластины при температуре не менее 50°С с энергией имплантации не более 200 кэВ и с дозой имплантации не более 1000 мкКл/см2, повторная химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов, повторная имплантация ионов примеси р-типа проводимости в рабочую сторону пластин и ионов примеси n-типа проводимости в нерабочую сторону пластин при температуре не более 25°С с энергией имплантации не более 200 кэВ, нанесение слоя алюминия на обе стороны пластин, формирование омического контакта путем вжигания алюминия и осаждение пассивирующего покрытия на рабочую сторону пластин, а затем проведение двухстадийного постимлантационного отжига.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что матричный сенсор (чувствительный элемент) ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике. Эмиссионный калориметр для измерения энергии частиц представляет собой сандвич из поглотителя и активных элементов, расположенных перпендикулярно падающим частицам, при этом активные элементы состоят из двух электродов, разделенных газовым зазором около 100 мкм при атмосферном давлении, один из электродов подключен к источнику напряжения порядка 50 кВ/см, а другой электрод подключен к блоку амплитудного анализа.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации и набранную дозу гамма-, протонных, электронных и альфа-излучений.

Изобретение относится к космической технике, в частности для регистрации микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы. Устройство контроля герметичности элементов конструкции космического аппарата содержит приемник ионов, установленный на расстоянии от контролируемой поверхности космического аппарата, спутниковый модем, устройство формирования сигнала, при этом спутниковый модем, устройство формирования сигналов и приемников ионов заключены в одном защитном корпусе, вход приемника ионов соединен с устройством формирования сигнала, выход которого соединен со входом спутникового модема, соединенного с антенной, фокусирующую сетку, прикрепленную к защитному корпусу, устройство ионизации потока газовых частиц, прикрепленное со стороны фокусирующей сетки к защитному корпусу, в защитном корпусе установлен фотоэлектронный умножитель, а на контролируемой поверхности космического аппарата установлен пьезодатчик, соединенный с помощью усилителя с устройством формирования сигнала, при этом на поверхности космического аппарата установлены измерительные антенны не менее трех штук, которые дополнительно снабжены антенными усилителями, соединенными с устройством формирования сигнала.

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано в установках физики элементарных частиц и в исследованиях, проводимых ядерно-физическими методами в потоках заряженных частиц или рентгеновского излучения.

Изобретение относится к координатным газонаполненным детекторам излучения и может быть использовано в области экспериментальной физики, для работ в высокоинтенсивных потоках заряженных частиц, а также в геологии, археологии, а также для радиографического контроля и томографических исследований крупномасштабных объектов.

Изобретение относится к способу определения эффективных масс закладок делящегося вещества. .

Изобретение относится к ионизационным многопроволочным координатным детекторам и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике для регистрации ядерного излучения.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике. Пучковый монитор для измерения интенсивности пучка частиц и его пространственного распределения представляет набор из сигнальных и высоковольтных электродов, расположенных перпендикулярно падающим частицам, при этом сигнальные электроды с фиксирующими опорными колонками отделены газовым зазором около 100 мкм при атмосферном давлении; между электродами подается напряжение, под влиянием которого электроны ионизации собираются на сигнальном электроде. Технический результат – существенное увеличение диапазона изменяемых интенсивностей пучка и самокалибровка детектора. 1 ил.
Наверх