Способ дозиметрии гамма-излучения Российский патент 2021 года по МПК G01T1/06 

Изобретение относится к области дозиметрии, в частности к способу дозиметрического контроля гамма-излучения с использованием волоконно-оптических датчиков, позволяющему удаленно осуществлять дозиметрию радиационного поля в недоступных для человека зонах с повышенной радиационной активностью.

Известен способ контроля гамма-излучения, включающий помещение волоконного световода (далее - ВС), с сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего легирующую примесь, на пути гамма-излучения и наведенных радиацией оптических потерь в ВС (далее - НРОПС), по которым судят о дозе гамма-излучения [Н. Henschel, О. Kohn, H.U. Schmidt "Optical fibres as radiation dosimeters", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. В 69, pp. 307-314 (1992)]. ВС легируют фосфором, который создает долгоживущие радиационные центры окраски в кварцевом стекле.

Недостатком этого способа является то, что такие ВС, обладая высокой чувствительностью, не пригодны для контроля зон с высоким уровнем радиации.

Таким недостатком не обладает наиболее близкий по технической сущности к заявляемому техническому решению способ дозиметрии гамма-излучения, принятый за прототип, заключающийся в помещении ВС, имеющего сердцевину из кварцевого стекла и содержащего примесь водорода, на пути гамма-излучения и измерении изменения оптических потерь НРОПС на полосах поглощения ОН-группами, по которым судят о дозе гамма-излучения [патент РФ 2133486].

Недостаток этого технического решения заключается в существенной зависимости концентрации водорода в сердцевине и оболочке оптического волокна от качества исходных компонентов в технологии его изготовления. С увеличением контролируемой дозы излучения рост НРОПС в пике поглощения ОН-группами существенно снижается, что ставит под сомнение достоверность дозиметрии зон с высоким уровнем радиации. Такой способ дозиметрии может основываться только на линейной зависимости НРОПС от дозы облучения (Huston, A.L., Justus, B.L., Falkenstein, P.L., Miller, R.W. Ning, H. and Altemus, R. (2001), Remote optical fibre dosimetry, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, v. 184, pp. 55-67).

Более того, после облучения ВС не восстанавливает свои оптические свойства, что исключает возможность его многократного использования в качестве чувствительного элемента. Этот недостаток с учетом повышенной длины ВС (от десятков до нескольких сотен метров) существенно повышает стоимость дозиметрического контроля.

Решаемая техническая проблема - дозиметрия зон с высоким уровнем радиации.

Достигаемый технический результат - повышение достоверности дозиметрии зон с высоким уровнем гамма-излучения при одновременном снижении затрат на ее проведение.

Поставленная задача решается предлагаемым способом дозиметрии гамма-излучения, включающем помещение ВС, имеющего сердцевину из чистого кварцевого стекла, в область контролируемого гамма-излучения, измерение НРОПС в ВС, при этом измерения НРОПС производят в процессе облучения через один и тот же промежуток времени, соответствующий стабилизации НРОПС, на длине волны зондирующего излучения (далее - длина волны) 1,55 мкм при мощности зондирующего сигнала 3-5 мкВт, по которым калибруется мощность дозы гамма-излучения, причем стекло сердцевины ВС обладает дефицитом кислорода и содержит примесного хлора не более 0,01 масс. %

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Дозиметрия на основе зависимости НРОПС от поглощенной ВС дозы гамма-излучения недостаточно достоверна из-за того, что после некоторой продолжительности облучения НРОПС не изменяются, несмотря на то, что гамма-излучение по-прежнему воздействует на ВС (Дворецкий Д.А., Лазарев В.А., Пнев А.Б., Карасик В.Е., Салганский М.Ю., Кашайкин П.Ф., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Отечественные радиационно-стойкие волоконные световоды // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. №5). То есть дозиметрия по поглощенной дозе, является скорее характеристикой материала, а не энергетической характеристикой радиационного поля

При наличии хлора в ВС с сердцевиной из кварцевого стекла его НРОПС монотонно растут с дозой облучения, а наклон этой зависимости определяется количеством хлора. Удаление этой примеси до уровня ≤0,01 масс. % приводит к достижению постоянного, зависящего только от мощности излучения НРОПС, измеренных сразу через 10-20 минут после радиационного воздействия (Tomashuk A.L., Salgansky M.Yu., Kashaykin P.F., Khopin V.F., Sultangulova A.I., Nishchev K.N., Borisovsky S.E., Guryanov A.N., Dianov E.M. // J. Lightw. Technol. 2014.Vol.32. N 2. P. 213-2190). Поэтому дозиметрия гамма-излучения на основе измерения НРОПС по мощности дозы, а не по поглощенной дозе, является более достоверной дозиметрической характеристикой радиационного поля.

Нейтральные или восстановительные условия высокотемпературной обработки стекла сердцевины создают в ней дефицит кислорода, что обеспечивает наиболее полное восстановление НРОПС после облучения на длине волны 1,55 мкм (Tomashuk A.L., Dianov E.M., Golant R.M., Khrapko R.R., Spinov D.E., Performance of special radiation-hardened optical fibers intended for use in the telecom spectral windows at a megagray level, IEEE Trans. Nucl. Sci., v. 45, no. 3, pp. 1566-1569, 1998).

Традиционные окислительные условия высокотемпературной обработки стекла сердцевины ВС приводят к образованию ОН-групп и дефектов типа ≡Si-O-O-Si≡, которые при облучении, искажая структуру стеклообразной сетки, создают стабильные НРОПС на рассеяние излучения (Bisyarin М.А., Dukelskiy K.V., Eronyan М.А., Komarov A.V., Lomasov V.N., Meshkovskiy I.K., Reutsky A.A., Shcheglov A.A. and Ustinov S.V. Radiation-induced loss of silica optical fibers with fluorine-doped cladding // Mater. Res. Express, 2019. V. 6. 026202).

Устранение из кварцевого стекла сердцевины оптического волокна примесей хлора и ОН-групп, наряду с дефицитом кислорода, способствует полному восстановлению НРОПС и возможности его многократного использования для дозиметрии. Учитывая, что для дозиметрии используются ВС длиной 500 и более метров, многократное их использование обеспечивает существенное снижение стоимости радиационного контроля.

Предлагаемый способ реализован экспериментально и подтверждается следующими примерами.

Пример 1. MCVD методом изготовлена заготовка фторсиликатного одномодового ВС с использованием трубы из кварцевого стекла марки F 300 с наружным диаметром 25 и толщиной стенки 3 мм. При изготовлении заготовки фторсиликатную оболочку наносили двухстадийным методом, включающим операцию осаждения пористого слоя и последующего его спекания в атмосфере, содержащей тетрафторид кремния, кислород и азот. Слой сердцевины осаждали традиционным одностадийным методом. Высокотемпературное сжатие заготовки осуществляли при температуре 2200°С за три прохода горелки при продувке ее внутреннего канала азотом высокой чистоты, содержащим не более 0,01 масс. % кислорода и 10^-4 масс. % влаги. Окончательное сжатие заготовки в штабик производили при температуре 2300°С. Вытяжку ВС диаметром 125 мкм производили в графитовой печи при температуре 2150°С с одновременным нанесением защитного двухслойного эпоксиакрилатного покрытия толщиной 65 мкм.

НРОПС, смотанного в бухту длиной 500 метров, в процессе его облучения измеряли оптическим тестером «EXFO FOT - 600». Мощность гамма-излучения величиной 0,2-8 Гр/с задавали определенным расстоянием ВС от источника гамма-излучения ⁶⁰Со, что обусловлено техническими характеристиками экспериментальной установки. Калибровку НРОПС по мощности производили на основе аттестации контрольных точек источника гамма-излучения ⁶⁰Со по мощности дозы с использованием образцового измерителя дозы гамма-излучения (стандартный образец поглощенной дозы излучения: сополимер с феназиновым красителем СО ПД [Ф] Р-5/50).

Величина зондирующего излучения для определения НРОПС была на уровне 3-5 мкВт. Эта величина является пороговой, выше которой возможно фотообесцвечивание радиационных дефектов.

Концентрация хлора как в сердцевине, так и во фторсиликатной оболочке, не превышала предел его обнаружения (0,01 масс. %).

Трехкратное измерение НРОПС с перерывами в 30 минут на длине волны 1,55 мкм облучаемого в калиброванной зоне с мощностью 1 Гр/с ВС после 15 минут обработки дали близкие значения: 0,4; 0,38 и 0,4 дБ/км.

Одновременное трехкратное измерение НРОПС на длине волны 1,31 мкм качественно отличалось от измерений на длине волны 1,55 мкм монотонным увеличением НРОПС: 0,7; 0,98 и 1,2 дБ/км. Этот факт исключает возможность предложенного способа дозиметрического контроля на длине волны 1,31 мкм.

Пример 2. Аналогичным по сравнению с примером №1 образом изготовлен второй ВС.

Трехкратное измерение НРОПС с перерывами в 30 минут на длине волны 1,55 мкм облучаемого в калиброванной зоне с мощностью 8 Гр/с второго ВС после 15 минут обработки дали близкие значения НРОПС: 1,12; 1,08 и 1,1 дБ/км, соответственно.

Вышеизложенные сведения подтверждают очевидную промышленную применимость предлагаемого способа дозиметрии зон с повышенной радиационной активностью и достижение указанного технического результата.

Изобретение относится к области дозиметрии. Способ дозиметрии гамма-излучения содержит этапы, на которых помещают волоконный световод, имеющий сердцевину из чистого кварцевого стекла, в область гамма-излучения и измеряют изменения наведенных радиацией оптических потерь в волоконном световоде (НРОПС), при этом по измеренному на длине волны зондирующего излучения 1,55 мкм НРОПС калибруют мощность дозы гамма-излучения, при этом стекло сердцевины световода обладает дефицитом кислорода и содержит не более 0,01 масс. % хлора. Технический результат - повышение достоверности дозиметрии зон с высоким уровнем гамма-излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ дозиметрии гамма-излучения, включающий помещение волоконного световода, имеющего сердцевину из чистого кварцевого стекла, в область гамма-излучения и измерение изменения наведенных радиацией оптических потерь в волоконном световоде (НРОПС), отличающийся тем, что по измеренному на длине волны зондирующего излучения 1,55 мкм НРОПС калибруют мощность дозы гамма-излучения, при этом стекло сердцевины световода обладает дефицитом кислорода и содержит не более 0,01 масс. % хлора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что НРОПС измеряют при облучении через 15 минут после начала радиационного воздействия.