基于掺杂光纤自激辐射的辐射剂量仪的制作方法

本发明涉及辐射测量技术领域，特别是指一种基于掺杂光纤自激辐射的辐射剂量仪。

背景技术：

随着核电的越来越广泛应用，核废料的妥善处理成为一个重要问题，核泄漏将会造成灾难性后果。因此，核废料贮藏室的辐射水平监测显得尤为重要。此外，核反应堆附近的辐射监测也是保证核设施安全运行的首要前提。

现有的辐射测量仪大多是个人剂量仪或者是医用高精度低剂量的辐射测量仪器，无法满足工业用大剂量辐射的远程实时监测。而基于光纤辐射致衰减效应的辐射传感器一般采用特制掺杂光纤，成本昂贵，基于普通商用光纤的辐射传感器往往精度不够。

技术实现要素：

本发明提出一种基于掺杂光纤自激辐射的辐射剂量仪，解决了现有技术中普通商用光纤的辐射传感器往往精度不够的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于掺杂光纤自激辐射的辐射剂量仪，包括泵浦光源、耦合器、参考光纤、敏感光纤、波分复用器、反射镜、探测器、探测电路和计算机；所述泵浦光源、计算机和探测电路连接，所述计算机控制泵浦光源产生泵浦激光并进入耦合器的输入端，耦合器将泵浦激光分成两束，一束进入敏感光纤支路，另一束进入参考光纤支路，所述敏感光纤支路由与耦合器输出端连接的波分复用器、与波分复用器输入端连接的反射镜、与波分复用器输出端连接的敏感光纤、波分复用器、探测器依次组成，所述参考光纤支路由与耦合器输出端连接的波分复用器、反射镜、与波分复用器输出端连接的参考光纤、波分复用器、探测器依次组成，探测器的输出端与探测电路的输入端连接，探测电路将光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机，计算机对光纤衰减数据进行处理，解调出辐照剂量信息，并进行显示和储存。

作为本发明的一个优选实施例，探测器在某一时刻接收到敏感光纤支路和参考光纤支路输出光信号的光功率分别为ps和pr，则此时辐射导致的衰减为

根据辐射致衰减与辐照剂量的近似关系a(d)＝cd解调出辐照剂量信息d，c为实验测量得到的常数。

作为本发明的一个优选实施例，所述敏感光纤为掺稀土光纤，敏感光纤对泵浦激光和激发光两个波段的光衰减具有辐射依赖性，激发光的增益与泵浦光的衰减相关。

作为本发明的一个优选实施例，敏感光纤支路和参考光纤支路在光源不稳定的时候变化情况一致。

作为本发明的一个优选实施例，所述敏感光纤支路和参考光纤支路的反射镜分别与光纤输入端的波分复用器连接或与光纤输出端的波分复用器连接。

本发明的有益效果在于：

1、基于掺杂光纤的自激辐射发光效应，利用泵浦光和增益光双波长的辐射致衰减效应测量辐射，增加了辐射敏感度。

2.本发明在光路中加入了反射镜，充分利用敏感光纤中前向和后向的增益光来提高检测信号的强度从而提高传感系统的信噪比和动态范围。

3.本发明同时测量泵浦光和增益光并对测量结果进行数据融合和对比从而实现高精度高可靠性的测量，同时，对泵浦光的监测可以用来感知传感系统的自身工作状态并报警。

4.本发明测辐射敏感元件为光纤，可以很方便实现远程在线监测，特别适用于核工业环境人员不方便进入的危险地方。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于掺杂光纤自激辐射的辐射剂量仪一个实施例的电路框图；

图2为本发明一种基于掺杂光纤自激辐射的辐射剂量仪另一个实施例的电路框图。

图中，1-泵浦光源、2-耦合器、3-参考光纤、4-敏感光纤、5-波分复用器、6-探测器、7-探测电路、8-计算机、9-反射镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明是一种基于掺稀土光纤自激辐射和辐射致衰减特性的光纤辐射测量系统，设有两种方案。

第一种方案：

第一种方案，如图1所示，本发明实现方案包括泵浦光源1、耦合器2、敏感光纤4、波分复用器5、探测器6、探测电路7、计算机8和反射镜9。

计算机控制泵浦光源1产生泵浦激光，由1:1光耦合器2分束，一束通过普通单模光纤进入敏感光纤4，一束进入参考光纤3，在波长为λ1的泵浦光的泵浦下，敏感光纤4和参考光纤3中自发辐射产生波长为λ2的激发光，激发光分为前向光跟后向光，后向光经由反射镜9反射，从而与前向光一样向前传输。在波分复用器5的作用下，泵浦光与自发辐射光被分离，输出至光电探测器6，探测器6对四路光信号进行探测，探测电路7将探测到的光信号转化为电信号，并且进行滤波放大，输出到计算机8，计算机8对光纤衰减数据进行处理，解调出辐照剂量信息，并进行显示和储存等。

在辐射的影响下，光纤的内部粒子会被电离，产生自由电子，自由电子被晶体的固有缺陷捕获，产生稳定存在的色心，色心会对特定波长范围内的光产生强烈的吸收作用，即光纤辐射致衰减(radiationinducedattenuation)。辐射致光纤衰减是一个典型的能够表征辐射剂量的参数，只需要测量暴露在辐射中的光纤传输损耗随辐射的变化，即可测量出辐射剂量。

泵浦激光发射波长为λ1的激光，经过第一个波分复用器进入到敏感光纤。敏感光纤一般是掺稀土光纤，可以是掺铒光纤、掺镱光纤，也可以是其它能在一定波长泵浦激光作用下产生自激辐射发光的任何掺杂光纤。当泵浦光进入到掺稀土光纤后产生自发辐射放大效应，泵浦出波长为λ2的光。当受到辐射影响时，波长为λ1的泵浦激光和波长为λ2的增益光都会因为辐射产生的色心而引起光纤的辐射致衰减效应。而波长为λ2的增益光会因为泵浦激光的辐射致衰减效应而进一步变小，这相当于是把增益光对辐射的敏感度进行了放大。因此可以通过测量增益光在辐射环境下的变化来实现辐射敏感。对泵浦光的监测可以作为辅助测量提高准确度，也可以用来对传感系统自身工作状态监测以及报警。反射镜则可以充分利用掺杂光纤两个方向的增益光来提高传感系统的信噪比和动态范围。

本发明有泵浦光测量辐射、激发光测量辐射、双波长差分测量辐射三种测量方案，可以根据实际需求选择，可以满足高测量灵敏度以及大的辐射强度动态范围的测量需求。

本发明设置了一条参考光路，参考光路由耦合器2、参考光纤3、波分复用器5、探测器6、反射镜9组成。波长为λ1的激光经耦合器2，再经过波分复用器5进入参考光路，经参考光纤3产生波长为λ2的激发光，后向激发光经反射镜9反射，跟前向激发光一起通过波分复用器5，并与泵浦光分离，最后由探测器6探测。利用参考光路，可以解决光源不稳定的问题，抑制光源噪声，提高测量结果的精确度。

所述的敏感光纤4为掺稀土光纤。掺稀土光纤是一种有源光纤，有很多吸收带，其在波长λ1和λ2处的吸收带被用来进行光放大或者制作光源。掺稀土光纤在波长为λ1的激光的泵浦下会跃迁到高能级，电子在高能级寿命较短，会无辐射跃迁到激光上能级，形成粒子数反转，之后在自发辐射或者受激辐射下产生波长为λ2的激发光。掺稀土光纤的这一性质，可以用来进行双波长测量。

假设信号光路和参考光路接收到的激发光的功率分别为ps和pr，敏感光纤长度为l，光纤的辐射致衰减可以表示为

假设辐照剂量为d，产生的不稳定色心的饱和吸收剂量分别为ds1,ds2，a1、a2、b分别为实验测量的常数，根据多成分饱和指数模型，光纤的辐射致衰减可以表示如下：

当d＜＜min(ds1，ds2)时，可近似为

近似模型的截断误差δa＜10^-4，根据得到的辐射致衰减和辐照剂量的这一近似关系即可解调出辐照剂量d。

下面对本发明提出的基于掺稀土光纤自激辐射和辐射致衰减特性的光纤辐射测量系统的剂量灵敏度和动态范围进行分析。

在本发明中，采用的是双波长测量，是根据泵浦光和激发光对辐射的双重敏感来测量辐射的，则对泵浦光存在泵浦吸收，对激发光存在自发辐射和增益。当光纤受到辐射的时候，泵浦光的色心吸收会增加，从而导致泵浦吸收的减少，进而导致激发光增益的减小。

假设信号光路和参考光路泵浦吸收对泵浦光带来的损耗分别为δps和δpr，信号光路的辐射致衰减为ap，则泵浦光的总辐射致损耗为δp＝ap+δps-δpr。考虑到辐射致衰减的增加会导致泵浦光衰减的加快，从而导致泵浦吸收的减少。

假设信号光路和参考光路泵浦吸收对激发光带来的损耗分别为和激发光的辐射致衰减为as，则激发光的总辐射致损耗为辐射致衰减的增加会导致激发光增益和泵浦吸收的减少，激发光测量辐射的灵敏度高。

第二种方案：

如图2所示，本发明提出的基于掺稀土光纤自激辐射和辐射致衰减特性的光纤辐射测量系统不限于图1所示的透射式光路，也可以采用图2所示的反射式光路。与第一种方案相比较，反射式光路将反射镜9安装在前项波分复用器5的出射端，将前向激发光反射回来，从而主要使用的是后向激发光，其信号光功率较透射式光路的信号光功率要大，而通过两次敏感光纤的光功率要比透射式光路小，从而反射式光路测量的动态范围比透射式光路要大，而其灵敏度要比透射式光路低，

由此可见，本发明利用激发光和泵浦光对辐射的双重敏感，采用双波长测量方案，具有比较高的测量灵敏度，同时能满足大动态范围辐射强度的测量需求。

综上所述，本发明描述了一种基于掺稀土光纤自激辐射和辐射致衰减特性的光纤辐射测量系统。该发明的特点包括：第一，采用掺饵光纤作为辐射敏感元件，线性度好，测量精度高；可以在泵浦光的泵浦下产生波长为λ2的激发光，实现双波长测量；与信号传输光纤直接耦合，耦合效率高。第二，采用泵浦光源作为光源，既可以作为测量辐射剂量的信号光，又可以作为稀土光纤自发辐射的泵浦光。第三，利用激发光和泵浦光对辐射的双重敏感，采用双波长测量方案，具有比较高的测量灵敏度，同时能满足大动态范围辐射强度的测量需求，也提高了系统对不同种类辐射的分辨能力。第四，设置了参考光路，有效抑制了光源噪声，减小了光源不稳定带来的测量误差，提高了测量精度。最后，本发明提出的一种基于掺稀土光纤自激辐射和辐射致衰减特性的光纤辐射测量系统可以应用于空间辐射测量、核设施监测等领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。