一种基于闪烁光纤的分布式单端反射型在线放射性探测仪及其探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于辐射传感探测技术领域，特别是应用了分布式光纤传感技术将整根闪 烁光纤作为传感部分的单端反射型在线放射性探测仪，其可以在核泄漏监控、海洋监测、地 质勘探、生物医学、追踪定位、军事航天等领域连续实时地对辐射环境的剂量等辐射物理参 数进行测量，并且可分析获得放射源的位置信息。相较于传统的放射性探测仪，其解决了在 海洋、高空、地底等人类难以进入的恶劣环境中进行在线的放射性监测与分析定位的难题。
【背景技术】
[0002] 分布式光纤传感探测技术是根据沿线光波分布特征参量，同时获取在传感光纤区 域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以有效的实现长距离、大范围的实时、连 续、长期传感，还具有精度高、布线方便、能克服恶劣环境等优点。采用分布式光纤传感的系 统在空间上具备测量的连续性，避免使用大量分立的传感元件，可以大大降低传感部分的 系统成本。
[0003] 闪烁光纤是一种兼有辐照探测和光信号传输功能的功能元件。根据使用的闪烁材 料，闪烁光纤可分为三大类：闪烁玻璃光纤、闪烁塑料（聚苯乙烯）光纤和闪烁毛细管液 体（苯、二甲苯、甲苯）光纤。闪烁光纤掺杂的稀土元素，当有快速运动的α、β粒子，或 Y、X射线照射闪烁光纤时，在光纤芯内将会激励起闪烁光。这时，闪烁光纤就是一个射线 探测器。在光纤芯内激励起的闪烁光是各向同性的。由于光纤芯部的折射率大于包层的折 射率，根据全反射原理，只有那些位于临界角以外的闪烁光才能在光纤内传输。这时，闪烁 光纤便起光传输的作用。近年来，随着高能物理的发展和各种像增强技术的出现，使闪烁光 纤技术得到了迅速发展。与普通闪烁体相比，闪烁光纤的传输衰减和时间特性都有了很大 的改善。闪烁光纤可以弯成不同的形状，可以延伸到空间任何位置，用其组成的探测器具有 空间分辨好、时间分辨好、机械可塑性好等优点，因此受到高能物理学家的普遍重视。目前 正广泛地应用于核与粒子物理实验中，同时在工业、医学、生物的射线成像系统中也将有重 要的应用。
[0004] -些现有的利用闪烁光纤的放射探测系统克服了传统的闪烁体探测器的许多缺 点，但是由于闪烁光纤体积的限制，基体密度很小，与辐射产生相互作用有限，光产量比较 小，在低能量和低剂量率的情况下，灵敏度不会很高，所以多用于光学成像方面。又由于闪 烁光纤自身的传输损耗比较大，所以在灵敏度、能量特性、可测量的辐射剂量率范围和长距 离传输应用上会受到限制。还有，现有的辐射探测器多是对辐射剂量的检测，而鲜有进一步 的对辐射能谱的分析。最后，传统的辐射探测器并不能对辐射作用发生位置进行追溯，抑或 要采用多端探测结构而大大加大系统成本。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在解决对放射性探测和分析的现有方法中存在的上述问题，提供了一种 基于闪烁光纤的分布式单端反射型在线放射性探测仪，同时提供了一种该探测仪的探测方 法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种基于闪烁光纤的分布式单端反射型在线放射性探测仪，该探测仪包括闪烁光 纤、光耦合器件、多模光纤、光电转换器、信号处理模块、计算机，所述的闪烁光纤其中一端 面镀有高反射膜，另一端未镀高反射膜，未镀高反射膜一端通过光耦合器件连接至多模光 纤一端，多模光纤的另一端耦合连接至光电转换器，光电转换器依次连接信号处理模块和 计算机。
[0008] 进一步的，所述光耦合器件为具有光收集能力和极低的插入损耗光纤连接器，其 两端接口尺寸分别对应闪烁光纤外径和多模光纤外径，用于连接闪烁光纤与传输用多模光 纤。
[0009] 进一步的，所述的闪烁光纤通过连接多模光纤传导延长使用范围，所述多模光纤 为在闪烁光纤荧光波段低损传输光纤。
[0010] 进一步的，所述光电转换器、信号处理模块和计算机部分整体做封装处理。
[0011] 进一步的，所述光电转换器为光电二极管或雪崩二极管。
[0012] 进一步的，该探测仪可采用多根闪烁光纤组成探测网络。
[0013] 进一步的，所述的闪烁光纤其中一端面镀有的高反射膜为银材质，厚度为 45_55nm〇
[0014] -种基于闪烁光纤的分布式单端反射型在线放射性探测仪的探测方法，包括以下 步骤：
[0015] (1)闪烁光纤传感探头置于辐射环境中，吸收射线能量继而产生闪烁光脉冲的步 骤；
[0016] (2)闪烁光脉冲沿两条路径抵达光电转换器的步骤；
[0017] (3)对比两路径闪烁光脉冲抵达光电转换器的时间差，分析出辐射与闪烁光纤相 互作用的位置信息的步骤；
[0018] (4)闪烁光脉冲通过多模光纤传输后进入光电转换器转化为的电子脉冲信号，经 过信号处理后进入计算机进行数据储存及能谱分析的步骤；
[0019] (5)经上述步骤（4)得到辐射环境的辐射物理参数，完成对被测环境的放射性探 测的步骤。
[0020] 进一步的，以上所述的方法中通过采用多根闪烁光纤组成探测网络，实现对放射 源的定位。
[0021] 本发明的优点及效果：
[0022] 本发明所述仪器如前文所述，通过应用分布式光纤传感技术的思路，在闪烁光纤 一端镀高反膜，使闪烁光脉冲会沿两条路径抵达光电转换器，对比两路径闪烁光脉冲抵达 光电转换器的时间差，可以分析出辐射与闪烁光纤相互作用的位置信息；通过闪烁光纤作 为传感单元，吸收射线能量继而产生闪烁光脉冲，闪烁光脉冲通过多模光纤进入光电转换 器转化为电子脉冲信号，再通过信号处理后进入计算机进行数据储存及能谱分析，可以获 得所测环境内的辐射物理参数。根据测试原理，待测辐射环境的剂量和能谱以及发生位置 都可以分析得出，这样设计的放射性探测仪功能齐全，最主要的效果是能实现对放射源的 追踪定位。同时，利用端面反射技术只需在光纤一端布置光电转换器件和信号处理模块，实 现了单端探测，控制了仪器成本。此外，提出了一种适用于该仪器的信号甄别算法，能够提 取有效信号，提高仪器性能。最后，该仪器还具有传感探头部分体积小、灵活度高，单探测器 可测量范围广、可远程实时感测、电子学部分受外界环境影响小等优点，可适用范围广泛。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的结构示意图，
[0024] 图中：1.闪烁光纤，2.光耦合器件，3.多模光纤，4.光电转换器，5.信号处理模 块，6.计算机。
【具体实施方式】
[0025] 如图1所示，本发明提供的基于闪烁光纤的分布式反射型在线低本底放射探测仪 包括闪烁光纤1、光纤连接器2、多模光纤3、信号处理模块4、计算机5 ;所述闪烁光纤1可 以与福射相互作用产生光脉冲，闪烁光纤1的一端镀有高反射膜，闪烁光纤1的另一端通过 光纤连接器2连接至多模光纤3,多模光纤3的另一端连接光电转换器4,光电探测器4接 入信号处理模块5和计算机6,光电探测器4、信号处理模块5和计算机6三部分做封装处 理。闪烁光纤传感探头部分置于辐射环境中，产生的闪烁光脉冲会沿两条路径抵达光电转 换器4,通过信号处理模块5和计算机6谱分析从中可以得出辐射与闪烁光纤1相互作用的 位置信息和辐射物理参数。本发明中闪烁光纤1的一端镀有的高反射膜采用银材质，厚度 为45-55nm可达到本发明效果。
[0026] 本发明中，利用闪烁光纤1作为传感器件，闪烁光纤1其中一端镀有50nm银材质 高反射膜，由于辐射环境中的高能粒子进入闪烁光纤1，可以与之发生相互作用（主要包括 光电效应、康普顿散射、正负电子对效应），并产生次级电子，这些次级电子又会再次激发发 光材料产生闪烁光脉冲。这些闪烁光脉冲会沿闪烁光纤1两个方向运动，其中一方向的光 脉冲会直接通过耦合进多模光纤3将闪烁光脉冲收集到适配的光电转换器4(如光电二极 管或雪崩二极管）中，产生电子脉冲。另一方向的光脉冲会先经过光纤端面反射后反向传 输耦合进多模光纤3,继而通过多模光纤3传输收集入适配的光电转换器4中，产生电子脉 冲。产生于同一辐射事件的光脉