Патент на изобретение №2182715

(54) СЦИНТИЛЛЯЦИОННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, ЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ К ИЗЛУЧЕНИЮ С НИЗКОЙ ЭНЕРГИЕЙ, ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ ИЗЛУЧЕНИЯ С НИЗКОЙ ЭНЕРГИЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИСТОЧНИКА ВОДЫ

(57) Реферат:

Использование: для обнаружения бета-частиц, образующихся при распаде трития. Сущность изобретения: сцинтилляционное оптическое волокно содержит твердую удлиненную сердцевину, тонкий слой оболочки и легирующую добавку красителя, диспергированную внутри тонкого слоя оболочки, причем тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, и каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя. Детектор содержит по меньшей мере одно оптическое волокно, датчик наличия фотонов, подсоединенный к торцу по меньшей мере одного оптического волокна. Устройство содержит пучок сцинтилляционных оптических волокон, средство подачи воды в непосредственный близкий контакт с волокнами пучка и датчик для обнаружения и индикации наличия фотонов. Технический результат – повышение чувствительности детектирования низкоэнергетического излучения, образующегося при распаде трития. 3 с. и 28 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к оптическим волокнам и системам, имеющим оптические волокна, которые применяются для обнаружения частиц излучения, и более конкретно к оптическому волокну и детектору излучения, использующему это волокно, которые применяются для обнаружения бета-частиц, образующихся при распаде трития (³H).

В патенте США 5500054 описывается сверхизлучательная световая трубка, имеющая сверхизлучающее вещество внутри прозрачного основания этой трубки, окруженного оболочкой, которая отражает свет. Предложенная световая трубка используется в ядерном реакторе, в котором тепловая энергия, выделяемая за счет ядерного распада, переводит сверхизлучающее вещество в возбужденное состояние и заставляет его испускать фотоны. Фотоны, отражаясь на границе раздела сердцевины и оболочки, передаются через основание в коллекторы излучения. Таким образом, в патенте США 5500054 рассматривается по существу устройство преобразования энергии.

Волоконно-оптический водородный датчик, описанный в патенте США 5153931, имеет спиральную волоконно-оптическую систему, помещенную в испытательную камеру, в которой она подвергается воздействию газа. Если в состав газа входит водород, то кремниевая оболочка будет поглощать его, изменяя свой коэффициент преломления и коэффициент пропускания для фотонов, распространяющихся по оптическому волокну. Детектор используется для определения полос спектра инфракрасного излучения, поглощаемого оптическим волокном, которые указывают на присутствие водорода. В патенте показано, что толщина оболочки должна быть около 20 мкм и что волокно может состоять из кремнийполимерной оболочки, легированной добавками, которая окружает сердцевину волокна, выполненную из силикатного стекла. Однако в этом патенте отсутствует описание или предложение, связанное с использованием или предполагаемым применением вещества, легированного флуоресцентными добавками.

Оптические волокна с полистироловой сердцевиной, легированной красителем, и с оболочкой из полиметилметакрилата С₅Н₈О₂ (РММА) являются коммерчески доступными и широко используются в известных детекторах излучения. Детекторы излучения, основанные на этом типе оптического волокна, обычно имеют одно или несколько волокон, которые пучком подсоединяются к фотодетектору.

При поглощении излучения легированной сердцевиной волокна часть энергии частицы излучения преобразовывается в фотоны в видимой области спектра, частота которых определяется выбранным цветом красителя, которым легируют сердцевину волокна. Затем фотоны, отражаясь на границе раздела сердцевины и оболочки, проходят через оптическое волокно к фотодетектору.

Хотя детекторы излучения, в которых используются оптические волокна с легированной сердцевиной, пригодны для регистрации излучения с высокой энергией, они не эффективны для обнаружения излучения с низкой энергией.

Излучение с низкой энергией, такое как бета-частицы, которые образуются при распаде трития, полностью поглощается оболочкой оптического волокна прежде, чем оно сможет достигнуть чувствительной сердцевины, легированной красителем.

Энергия, поглощенная в акриловой (РММА) оболочке, рассеивается в виде тепловой энергии быстрее, чем детектируемые фотоны.

Попытка уменьшить поглощение излучения с малой энергией за счет создания более тонкой оболочки не является практичной. Средняя энергия бета-частицы трития составляет 5,6 кэВ, которая поглощается в веществе оболочки с толщиной порядка 1 мкм. Эта толщина намного меньше толщины оболочек, которые широко используются на практике.

Известный способ детектирования бета-частиц трития включает в себя операцию смешивания пробы с жидким сцинтиллятором для того, чтобы обеспечить более сильную связь между тритием и активным веществом. Возникающая в результате смесь помещается в сцинтиляционный счетчик, в основе которого используются многочисленные фотоумножительные трубки, предназначенные для оптического детектирования сцинтилляционных фотонов, используя при этом обычно методики совпадения, распознавания по энергии и форме импульсов, а также экранирования для минимизации ошибок, возникающих от фонового шума и помех.

Этот известный способ упоминается как подсчет сцинтиляций в жидкости (LSC) и имеет хорошую обнаружительную способность и точность. Однако такие процедуры, как взятие пробы, лабораторный анализ, требуемый в коммерческих средах, и получение ряда охранных документов, являются трудоемкими, дорогими и занимают много времени. Часто много времени также затрачивается между тестированием и получением результатов. Кроме того, использованные жидкие сцинтилляторные смеси увеличивают число отходов, а постоянно требуемое тестирование повышает стоимость дозиметрического контроля.

В основу настоящего изобретения поставлена задача устранения недостатков, связанных с детектированием бета-излучения с низкой энергией, и конкретно разработки оптического волокна, чувствительного к такому излучению с низкой энергией, как бета-частицы, которые образуются при распаде трития. Вариантом выполнения оптического волокна согласно настоящему изобретению является оптическое волокно, которое находится в месте контроля (in-situ) или в детекторе излучения, предназначенном для обнаружения радиактивного трития в источниках воды, поверхностных и подземных водах или потоках воды.

Первым вариантом реализации является оптическое волокно, которое применяется для детектирования излучения с низкой энергией и имеет чистую (без примесей) сердцевину из полистирола (PS), окруженную относительно тонкой оболочкой из полистирола (PS), легированного красителем.

Во втором варианте реализации изобретения оптического волокна в качестве чистой сердцевины используется беспримесный акрил (РММА).

Первым объектом настоящего изобретения является сцинтиляционное оптическое волокно, чувствительное к изучению с низкой энергией, содержащее твердую удлиненную сердцевину, тонкий слой оболочки, окружающий полностью внешнюю поверхность сердцевины по всей длине сердцевины, и легирующую добавку красителя, диспергированную внутри тонкого слоя оболочки.

Заявленное сцинтилляционное оптическое волокно отличается тем, что тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, причем каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя, и по меньшей мере один фотон передается через волокно за счет явления полного внутреннего отражения.

Тонкий слой оболочки может содержать полистирол.

Тонкий слой оболочки из полистирола может иметь толщину в пределах приблизительно 2-20 мкм.

Толщина тонкого слоя оболочки полистирола может составлять приблизительно 10 мкм.

Легирующая добавка красителя может содержать флуоресцентный краситель, имеющий один из цветов видимой области спектра: синий, зеленый, красный и желтый.

Легирующая добавка красителя может содержать синий флуоресцентный краситель.

Тонкий слой оболочки может содержать полистирол.

Легирующая добавка красителя может содержать в тонкой оболочке из полистирола приблизительно 2% синего флуоресцентного красителя.

Вторым объектом настоящего изобретения является детектор излучения для регистрации частиц излучения с низкой энергией, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, причем каждое волокно содержит твердую удлиненную сердцевину, тонкий слой оболочки, окружающей полностью внешнюю поверхность сердцевины по всей ее длине, и легирующую добавку красителя, диспергированную внутри тонкого слоя оболочки.

Заявленный детектор излучения отличается тем, что тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, при этом каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя, причем по меньшей мере один фотон передается через волокно за счет явления полного внутреннего отражения и обнаруживается датчиком наличия фотонов, подсоединенным к торцу по меньшей мере одного оптического волокна так, что по меньшей мере один фотон передается через сердцевину за счет явления полного внутреннего отражения.

В заявленном детекторе излучения упомянутый датчик может содержать фотоумножительную трубку для подсчета фотонов.

Сердцевина может быть выполнена из чистого полистирола или чистого акрила РММА.

Тонкий слой оболочки может содержать полистирол.

Тонкий слой оболочки из полистирола может иметь толщину в пределах приблизительно 2-20 мкм.

Толщина тонкого слоя оболочки может составлять приблизительно 10 мкм.

Легирующая добавка красителя может содержать флуоресцентный краситель, имеющий один из цветов видимой области спектра: синий, зеленый, красный и желтый.

Тонкий слой оболочки может содержать полистирол.

Средство легирующей добавки красителя может содержать в тонкой полистироловой оболочке приблизительно 2% синего флуоресцентного красителя.

Упомянутый датчик может содержать фотоумножительную трубку для подсчета фотонов.

Третьим объектом настоящего изобретения является устройство для контроля источника воды с возможностью обнаружения присутствия бета-частиц, полученных при распаде трития, содержащее пучок сцинтилляционных оптических волокон, чувствительных к бета-излучению с низкой энергией, причем каждое оптическое волокно имеет твердую сердцевину с торцами, тонкий слой оболочки, окружающий полностью внешнюю поверхность сердцевины по всей ее длине, легирующую добавку на основе красителя, диспергированного внутри тонкого слоя оболочки.

Заявленное устройство для контроля отличается тем, что тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, при этом каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя, и по меньшей мере один фотон передается через волокно за счет явления полного внутреннего отражения, при этом устройство для контроля источника воды содержит средство подачи воды в непосредственный близкий контакт с волокнами пучка и датчик наличия фотонов, подсоединенный к первым торцам оптических волокон пучка так, что, когда по меньшей мере один фотон пересылается через сердцевину волокна за счет явления полного внутреннего отражения к первому торцу, датчик обнаруживает по меньшей мере один фотон и индицирует наличие фотонов.

В заявленном устройстве для контроля источника воды средство подачи воды в непосредственный близкий контакт с волокнами пучка может содержать корпус, который вмещает в себя пучок волокон, причем корпус снабжен вводом для подачи воды в корпус в контакт с волокнами пучка.

Упомянутый датчик может содержать первую фотоумножительную трубку для подсчета фотонов, расположенную на одной стороне корпуса и подсоединенную к каждому волокну на их первом торце.

Упомянутый датчик может дополнительно содержать вторую фотоумножительную трубку для подсчета фотонов, расположенную на второй стороне корпуса и подсоединенную ко вторым торцам волокон пучка, и средство термоэлектрического охладителя, связанное с каждой фотоумножительной трубкой.

В упомянутом устройстве сердцевина может быть выполнена из чистого полистирола или чистого акрила РММА.

Тонкий слой оболочки может содержать полистирол.

Тонкий слой оболочки из полистирола может иметь толщину в пределах приблизительно 2-20 мкм.

Толщина тонкого слоя оболочки может составлять приблизительно 10 мкм.

Легирующая добавка красителя может содержать флуоресцентный краситель, имеющий один из цветов оптического диапазона спектра: синий, зеленый, красный и желтый.

Легирующая добавка красителя может содержать синий флуоресцентный краситель.

Тонкий слой оболочки может содержать полистирол.

Легирующая добавка красителя может содержать в тонком слое оболочки из полистирола приблизительно 2% синего флуоресцентного красителя.

Оптическое волокно настоящего изобретения можно использовать в качестве приемника в детекторе излучения низкой энергии. Пучок волокон, используемый в качестве детекторного зонда, размещается в непосредственной близости от источника излучения. Например, вода, которую будут проверять на наличие трития, может протекать в прямом контакте с пучком, состоящим из специальных оптических волокон, выполненных согласно настоящему изобретению. Каждое отдельное оптическое волокно пучка подсоединяется к датчику. Когда излучение (от источника излучения) попадает на какую-либо легированную оболочку волокна, энергия частицы преобразовывается в фотоны с частотой, соответствующей цвету красителя, который используется для легирования оболочки. Фотоны передаются через сердцевину оптического волокна за счет явления полного внутреннего отражения к датчику, в котором они детектируются.

Детектор излучения согласно изобретению можно преимущественно использовать для контроля загрязненных источников воды, рек, родников, поверхностных и подземных вод, потоков воды и т.д. Детектор излучения, использующий оптическое волокно изобретения, имеет низкую себестоимость по сравнению с известными устройствами, прост при эксплуатации, может быть легко откалиброван и требует меньше времени для получения результатов.

Различные признаки новизны, которые характеризуют настоящее изобретение, указаны более конкретно в прилагаемой формуле изобретения и в части его раскрытия. Для лучшего понимания изобретения, его действительных преимуществ и особой полезности, достигаемой при его применении, изобретение поясняется конкретным вариантом его осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:
фиг.1 изображает вид в продольном сечении первого варианта осуществления оптического волокна, погруженного в среду, в которой будет производиться дозиметрический контроль, согласно настоящему изобретению;
фиг.2 изображает вид в продольном сечении второго варианта осуществления оптического волокна, погруженного в среду, в которой будет производиться дозиметрический контроль, согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 изображает вид в поперечном сечении любого одного из оптических волокон, представленных на фиг.1 и 2;
фиг. 4 изображает вид в продольном сечении оптического волокна, выполненного согласно настоящему изобретению, иллюстрирующий, что хотя высокая концентрация красителя в оболочке приводит в результате к высоким оптическим потерям на поглощение, большинство траекторий фотонов проходит через чистую сердцевину в отличие от области легированной оболочки, и, таким образом, более высокие эффекты оптических потерь; возникающие вследствие поглощения, становятся управляемыми;
фиг. 5 схематически изображает часть детектора излучения, в котором используются оптические волокна, согласно настоящему изобретению;
фиг.6 схематически изображает первый вариант осуществления детектора излучения, в котором используются оптические волокна, согласно настоящему изобретению;
фиг. 7 схематически изображает второй вариант осуществления детектора излучения, в котором используются оптические волокна, согласно настоящему изобретению.

Одинаковые позиции, показанные на чертежах, соответствуют одинаковым функциональным элементам. На фиг. 2 и 3 показано оптическое волокно 10, согласно настоящему изобретению, имеющее сердцевину 30 и оболочку 20, которое погружено в среду 35 для ее контроля, например в воздух, но чаще в воду или водный раствор. Сердцевина 30 предпочтительно содержит чистый (нелегированный) полистирол (PS) или, с другой стороны, чистый (нелегированный) акрил (РММА). Оболочка 20 легируется флуоресцентным красителем 25 и является обычно тонкой с толщиной приблизительно 5-10 мкм. На всех чертежах n обозначает показатель преломления. Воздух или вода 35, в которую погружено волокно 10, имеет показатель преломления n меньше, чем у PS, таким образом формируется волноводная структура, которая эффективно передает свет вдоль по длине волокна, за счет явления полного внутреннего отражения.

Краситель 25, используемый для легирования оболочки 20, может иметь один из цветов: синий, зеленый, красный и желтый. Синий краситель обеспечивает наиболее эффективное преобразование энергии частиц излучения в энергию фотонов, которые затем передаются по сердцевине оптического волокна 30 к средству датчика (позиция 40 на фиг.5). Преимущество красителей, излучающих синий свет, заключается в том, что широко распространенные фотодетекторы имеют самую высокую квантовую эффективность для фотонов именно в этой области спектра. Зеленые, желтые или красные красители обеспечивают более низкую квантовую эффективность детектора, но вместе с тем более низкое поглощение в чистой сердцевине 30 PS. Концентрация красителя 25 в оболочке 20 выбрана так, чтобы оптимизировать преобразование энергии излучения в число фотонов видимой области спектра, образующихся при поглощении радиационных частиц вдоль оптического волокна 10. Хотя высокая концентрация красителя приводит к более высоким потерям на самопоглощение, большинство траекторий фотонов проходит через чистую сердцевину 30, по сравнению с легированной областью 20 (фиг.4), и таким образом можно контролировать эти потери на самопоглощение.

На фиг. 2 показана другая конфигурация, которая позволяет избежать относительно высокого поглощения, характеризующего чистый PS. В этой конфигурации, иммерсионная среда 35 (воздух или вода) также обеспечивает функцию захвата фотонов благодаря ее низкому коэффициенту преломления, и легированный полистироловый слой 20 обеспечивает преобразование излучения с низкой энергией в фотоны видимой области спектра. Однако сердцевина 30 выполнена из акрила (РMМА) вместо стирола. Поскольку РММА передает видимые фотоны с гораздо большей эффективностью, чем стирол, поглощение фотонов, которые распространяются по волокну 10, намного меньше. Такая высокая эффективность передачи по сердцевине волокна частично компенсируется тем фактом, что число фотонов, образующихся в легированном слое 20, который вырабатывает и направляет их в сердцевину 30, меньше, чем в конфигурации, показанной на фиг.1. Это происходит вследствие того, что некоторые из образующихся фотонов остаются в слое 20 оболочки из-за разности коэффициентов преломления n стирола (1,59) и РММА (1,45).

После поглощения частиц оболочкой 20 их энергия излучения передается полистироловой оболочке 20, вызывая локальную ионизацию и/или возбуждение. Легирующая добавка 25 преобразовывает часть энергии возбуждения в фотоны той же самой области спектра, что и выбранный цвет красителя 25. Часть этих фотонов будет оставаться внутри волокна 10, а часть передаваться к торцу волокна 10 за счет явления полного внутреннего отражения на границе раздела оболочки и сердцевины (см. фиг.4).

Схематическое изображение части детектора 50 излучения, который можно использовать с оптическим волокном 10 настоящего изобретения, показано на фиг.5. Детектор 50 имеет пучок оптических волокон 10, который подсоединяется к датчику 40. Датчик 40 может быть фотоумножительной трубкой, осуществляющей счет фотонов. Использование сигнала скорости счета, вырабатываемого трубкой датчика 40, можно получить константы для каждого детектора 50. Впоследствии детектор 50, в котором используется оптическое волокно 10 настоящего изобретения, можно использовать для относительно точного измерения радиактивности источника излучения. Пример конструкции и калибровки такого детектора описан ниже.

Пример. На примере экспериментальных исследований показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения для конкретного случая обнаружения бета-излучения трития.

Экспериментальное волокно 10 имеет чистую полистироловую сердцевину 30, покрытую внешней оболочкой 20 толщиной приблизительно 10 мкм, которая состоит из полистирола, легированного 2% синим флуоресцентным красителем 25. Полный диаметр волокна 10 составляет 500 мкм.

Волокно 10 разработано для использования с бета-частицами трития (³H), которые имеют максимальную энергию 18,6 кэВ и среднюю энергию 5,7 кэВ. Из-за этой относительно низкой энергии проникающая способность этих частиц для воздуха составляет только несколько миллиметров и для воды приблизительно 1 мкм. Оболочка 20 толщиной 10 мкм полностью поглощает любые бета-частицы, образующиеся на поверхности оболочки 20.

Легированная оболочка 20 специально выполнена тонкой, насколько это возможно, по двум причинам. Во-первых, дополнительные сигналы от бета-частиц трития не будут генерироваться, если толщина будет больше нескольких микрон. Толщина оболочки, равная 2 мкм, является предпочтительной, если это практически выполнимо, поскольку дополнительная толщина оболочки 20 служит только для того, чтобы увеличить отклик для излучения с более высокой проникающей способностью (бета-, альфа- и гамма-частицы с высокой энергией), которое при измерении ³H приводит к увеличению величины фонового шума. Таким образом, оболочка 20 сохраняется по возможности тонкой. Во-вторых, при наличии только легированной красителем оболочки 20 большая часть поперечной области оптического волокна 10 (то есть сердцевина 30) свободна от легирующих добавок и имеет более высокое пропускание. При использовании чистой сердцевины 30 повышается вероятность обнаружения радиактивных бета-частиц и дополнительно для детектора этого типа также увеличивается используемая длина оптического волокна. В настоящее время волокна с сцинтиллятором, находящимся по всей длине сердцевины, используются в качестве детекторов излучения, и рабочая длина ограничивается перепоглощениями сцинтилляционного сигнала в легирующей добавке (Д’Амбросио (С. D’Ambrosio) и др. “Новая органическая сцинтилляция с большими стоксовыми сдвигами”. Applied Spectroscopy. Vol. 45, 3, 1991, рр. 484-490).

Сцинтилляционное волокно 10, как описано выше, подсоединяется к одному выводу фотоумножительной трубки, предназначенной для счета фотонов. Сигнал скорости счета фотонов, который может наблюдаться, когда волокно облучается полностью по всей длине источником ³H с постоянной радиоактивности R, записывается в виде
c = RA [число фотонов/с], (1)
где R – радиоактивность бета-частиц [бета/см²/с], А – общая область облученной поверхности волокна [см²] и – вероятность того, что падающая бета-частица приведет к счету наблюдаемых фотонов.

Член определяется свойствами волокна 10 и датчика (фотоумножителя) 40. можно представить в следующем виде:
= pT[avg]Q, (2)
где р – среднее число фотонов, прошедших в волоконный волновод, для каждой поглощенной бета-частицы, T[avg] – эффективность передачи, усредненная по всей действующей длине волокна, и Q – квантовая эффективность фотоумножительной трубки.

Строго говоря, уравнение (2) действительно только в случае
рl/(T[avg]Q). (3)
по определению, имеет максимальное значение, равное 1.

Однако рабочие характеристики волокна легко получить из уравнения (3).

Эффективность передачи является экспоненциальной функцией, выражаемой как
T(l)=e_-kl, (4)
где l – расстояние от детекторного торца волокна до точки поглощения бета-частицы и k – коэффициент поглощения.

Средняя эффективность передачи для волокна, облученного полностью по всей длине L, определяется уравнением

при решении интегрального уравнения (5) получаем

Суммируя уравнения (1), (2) и (6), получаем решение для с в виде

Это уравнение для с выражает измеряемую скорость счета в терминах радиоактивности источника R и характеристики оптического волокна 10 и датчика 40. Уравнение (7) можно использовать для прогнозирования эффективности в случае, когда определены параметры уравнения. Квантовая эффективность Q является известной характеристикой использующегося датчика 40, а p и k (единственные оставшиеся члены, не определяемые просто из геометрии волокна) можно определить эмпирически. В этом частном примере, p0,33 и k=0,034 см^-1.

Конкретным примером использования этого типа детектора 50 является излучение бета-частицы трития. Бета-излучение трития имеет низкую энергию и трудно измеряется с помощью известных приборов и известными способами. Детектор 50 согласно настоящему изобретению значительно улучшает эффективность, с которой можно измерять этот тип излучения. Детектор используется многократно и не нуждается в проверке известными способами после разового использования. В дальнейшем, это приводит к упрощению в эксплуатации, так как детектор 50 достаточно только погрузить в загрязненную среду (воздух или воду).

На фиг. 6 и 7 раскрыты два возможных варианта осуществления детекторов излучения с низким порогом срабатывания, которые в дальнейшем упоминаются как детектор бета-частиц трития (TBD), которые разработаны для применения оптического волокна 10 настоящего изобретения. Короче говоря, на фиг.6 раскрыт первый вариант осуществления, который предполагает отсутствие усовершенствований в оптическом волокне 10, при этом можно реализовать любое средство детектирования или методику детектирования. Фиг.7, напротив, предполагает, что приемлемые усовершенствования могли бы быть получены для квантовой эффективности оптического волокна 10, управления оптическими потерями, шумовой характеристики детектора и методики обнаружения. Основной результат таких усовершенствований, которые показаны на фиг.6 и 7 (кроме электронных элементов), заключается в уменьшении размеров корпуса, через который проходит тритиевая вода в процессе контроля.

Для выполнения вычислений предельно допустимых значений предполагается, что понадобится детектор бета-частиц трития, который должен иметь более низкий порог обнаружения не более чем на 10% по сравнению со стандартами питьевой воды (DWS) Управления по охране окружающей среды, для трития (20,000 pCi/L) и точность 5% или лучше в слое DWS, давая LDL равной 2000 pCi/L. Детектор должен быть пригодным для погружения в подземные воды или для получения воды непосредственно из сточных вод, и должен иметь время счета порядка 2 ч или меньше. Потенциальные помехи будут включать источники , и излучения, включая в себя изотопы ⁹⁰Sr, ⁶⁰Co, ⁹⁹Тc, ¹⁰⁶Ru, ¹²⁹I, ¹³⁷Сs, ⁴⁰К, U и Рu, и любые другие, которые могут быть найдены в комплексе DOE, при концентрациях, соответствующих Справочнику допустимых концентраций (DCG) DOE.

Из-за слабого проникновения -частиц трития в воде детектор нуждается в относительно большой активной площади поверхности, чтобы получить хорошую чувствительность, необходимую для малого времени счета. В раскрытых вариантах осуществления детектора бета-частиц трития это выполнено благодаря использованию параллельных волокон в открытом пучке, которые находятся в контакте с тритиевой водой со всех сторон и в оптическом контакте на своих торцах с общим детектором. Эта конфигурация обеспечивает большую площадь поверхности, необходимую для относительно компактной геометрии.

На фиг.6 первый вариант осуществления детектора бета-частиц трития (TBD) показан позицией 100. TBD 100 обычно содержит пучок волокон 110 оптических волокон 100, размещенных в легком и компактном корпусе 120 с жидкостью, имеющий впускной канал 140 со светонепроницаемыми перегородками 130 и выпускной канал 160 со светонепроницаемыми перегородками 150. Длина оптических волокон 10 в пучке 110 волокон равна приблизительно 1 м (100 см), и каждое оптическое волокно 10 имеет наружный диаметр приблизительно 200 мкм. Тритиевая вода 170 втекает во впускной канал 140, проходит через корпус 120 и затем выводится наружу через выпускной канал 160. Диаметр корпуса 120 составляет приблизительно 12,5 см, и, таким образом, корпус 120 содержит приблизительно 308000 оптических волокон 10. Тритиевая вода 170 находится в прямом контакте с волокнами 10 пучка 110, которая протекает через корпус 120.

На одной стороне корпуса 120 приспособлена фотоумножительная трубка (РМТ) 180, находящаяся при комнатной температуре и подсоединенная с использованием известной конструкции к каждому оптическому волокну 10 пучка 110 волокон в режиме детектирования на одном конце пучка. Источник питания 190 обеспечивает электрическое питание РМТ 180. РМТ 180 электрически подсоединен через линию 200 для подачи своих выходных сигналов на предусилитель 210, который в свою очередь подает свой выходной сигнал на усилитель 230 через линию 220. Однократно усиленные выходные сигналы, поступающие из РМТ 180, подаются затем через линию 240 на средство 250 дискриминации нижнего и верхнего уровня и далее на средство 270 счетчика (через линию 260) и окончательно на средство 290 процессор/дисплей через линию 280. Средство 290 процессор/дисплей позволяет производить преимущественно считывание измеренной радиоактивности бета-частиц в размерности pCi/L для просмотра оператором и/или альтернативной сигнализации визуальным или звуковым способом в 310 через линию 300.

Полагая, что спектральная чувствительность волокна 10 и характеристика квантовой эффективности совпадают с предварительно полученными экспериментальными измерениями, использование слоя оболочки с легирующей синей добавкой на чистой (нелегированной) PS сердцевине и использование коммерчески доступных электронных модулей, измеренных характеристик волокна, показывающих реализацию TBD 100, как описано выше, позволяет получить (в пределах отношения сигнал/шум = 2) предельно низкие уровни 1,210⁵ pCi/L (4,610^-4 бета/с/см²).

На фиг.7 показан второй вариант осуществления TBD, обозначенный позицией 400. TBD 400 также обычно содержит пучок 410 оптических волокон 10, размещенный в легком и компактном корпусе 420, заполненном жидкостью, который имеет впускной канал 440 со светонепроницаемыми перегородками 430 и выпускной канал 460 со светонепроницаемыми перегородками 450. Для сравнения, длина оптических волокон 10 в пучке 410 составляет снова приблизительно 1 м (100 см), и каждое оптическое волокно 10 снова имеет внешний диаметр приблизительно 200 мкм. Тритиевая вода 170 втекает во впускной канал 440, проходит через корпус 420 и выводится через выпускной канал 460, при непосредственном контакте с каждым оптическим волокном 10 пучка 410 в течение прохода через корпус 420.

На двух сторонах корпуса 420 приспособлены фотомножительные трубки (РМТ) 480 известной конструкции, на каждую из которых подается электрическое питание от средства 490 источника питания. Каждый торец оптического волокна 10 пучка 410 подсоединяется к одной из РМТ 480. Каждая РМТ 480 связана со средствами охлаждения, такими как термоэлектрические охладители 500, для поддержания рабочей температуры РМТ 480 на требуемых низких уровнях, чтобы повысить их эффективность и эффективность TBD 400 в целом. Через линии 510, предусилители 520, линии 530 и усилители 540 осуществляется связь с каждой РМТ 480, и их выходные сигналы таким образом первоначально усиливаются. По линиям 550 эти усиленные сигналы подаются на средство 560 схемы совпадения для расширения диапазона измерений обнаруживаемых излучений бета-частиц. Как и в случае, показанном на фиг.6, будут выполнены средство 580 устройства дискриминации нижнего и верхнего уровня, средство 600 счетчика, средство 620 процессор/дисплей и средство 640 сигнализации, подсоединенные между собой соответствующим образом электрическими линиями 590, 610 и 630.

Таким образом, в конструкции TBD 400, представленной на фиг.7, предполагается, что характеристику квантовой эффективности волокон 10 можно улучшить в 8 раз, посредством оптимизирующего фтора, который уменьшает оптические потери и улучшает согласование спектра между длиной волны излучения фтора и характеристиками спектральной чувствительности детектора. Используя охлаждаемый детектор или подсчет совпадений, можно уменьшить фоновую скорость счета примерно на 2 порядка по усилению, применяя при этом типичное усовершенствование на основе известной технологии детектора. Приблизительно 4000 волокон при длине каждого 1 м обеспечивают необходимую суммарную скорость счета, необходимую для достижения требуемой характеристики мишени. Необходимый диаметр пучка волокон будет составлять приблизительно 1,4 см. При использовании коммерчески доступных электронных модулей этот детектор мог бы обеспечивать необходимую величину LDL, составляющую для трития 2000 pCi/L с точностью 5% в DWS, и с относительно простой обработкой мог бы непосредственно выдавать данные с размерностью pCi/L. Повышение квантовой эффективности позволило бы использовать коммерчески доступные электронные средства с низкими шумовыми характеристиками для обработки большей части или всех помех при помощи прямой дискриминации амплитуды импульса. К тому же эти очевидные усовершенствования волокна, связанные с термоэлектрическим охлаждением фотодетектора, могли бы обеспечить снижение чувствительности до 2000 pCi/L (7,410^-6 число бета частиц/с/см²), что позволило бы его применять для измерения уровней питьевой воды ЕРА.

Обе системы контроля TBD (фиг.6 и 7) таким образом способны обнаруживать и определять величину трития in situ в подземных и поверхностных водах и в сточных водах до выброса в общие водные магистрали. Системы будут быстрее, лучше и дешевле, чем используемые в настоящее время, имея следующие преимущества:
Компактный, погружаемый датчик
Большая зона действия датчика
Высокая чувствительность к ³H.

Высокая точность ³H
Отклик почти в реальном масштабе времени
Прочная, интегральная электроника
Таким образом, несколько преимуществ настоящего изобретения очевидны после прочтения предшествующего описания. Хотя известные сцинтилляционные волокна с легированной сердцевиной используются для обнаружения излучения с высокой энергией, их нельзя использовать для бета-частиц с энергией меньше, чем приблизительно 50 кэВ и фактически всех альфа-частиц. Это происходит вследствие того, что частицы поглощаются в очень тонком слое, расположенном рядом с поверхностью волокна, которая не окрашено сцинтилляционным красителем.

Обнаружение трития (³H)в воде является основным применением настоящего изобретения. Тритий является одним из наиболее широко распространенных радионуклеидных загрязнений в почве, на поверхности земли и в сточных водах. Контроль трития выполняется в соответствии с правилами агенства защиты окружающей среды (ЕРА) США, законами DOE или другими правилами для слежения за движением трития, которым загрязнены почвенные воды.

Тритий имеет период полураспада приблизительно 12,3 лет и распадается исключительно за счет эмиссии -частиц. Испускаемая -частица трития имеет максимальную энергию 18,6 кэВ и среднюю энергию 5,7 кэВ. Низкая энергия этого излучения имеет очень малую проникающую способность, приблизительно 1 мм в воздухе и около 1 мкм в воде или в твердых веществах с малым молекулярным весом. Первый вывод этого обнаружения заключается в том, что вещество-носитель трития должно очень близко располагаться с основным детектором для обеспечения наибольшей вероятности обнаружения, при этом нельзя использовать промежуточные поглотители, такие как оконные материалы. Второй вывод заключается в том, что измерения являются, по существу, 2-мерными (поверхностными). Интегральный объем детектора влияет в основном на облученную зону поверхности детектора, поскольку для трития в жидкостях или твердых веществах самопоглощение обеспечивается тем, что только бета-частицы с высокой степенью близости к детектору могут достигнуть рабочей поверхности детектора. Геометрия волокна обеспечивает высокое отношение поверхность/объем.

Хотя особый вариант осуществления изобретения показан и описан подробно в целях иллюстрации применения принципов изобретения, следует понимать, что изобретение может быть реализовано без отклонения от этих принципов.

Формула изобретения

1. Сцинтилляционное оптическое волокно, чувствительное к излучению с низкой энергией, содержащее твердую удлиненную сердцевину, тонкий слой оболочки, окружающий полностью внешнюю поверхность сердцевины по всей длине сердцевины, и легирующую добавку красителя, диспергированную внутри тонкого слоя оболочки, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, причем каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя, и по меньшей мере один фотон передается через волокно за счет явления полного внутреннего отражения.

2. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 1, отличающееся тем, что сердцевина выполнена из чистого полистирола или чистого акрила РММА.

3. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 2, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки содержит полистирол.

4. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 3, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки из полистирола имеет толщину приблизительно 2-20 мкм.

5. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 4, отличающееся тем, что толщина тонкого слоя оболочки составляет приблизительно 10 мкм.

6. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 2, отличающееся тем, что легирующая добавка красителя содержит флуоресцентный краситель, имеющий один из цветов видимой области спектра: синий, зеленый, красный и желтый.

7. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 6, отличающееся тем, что легирующая добавка красителя содержит синий флуоресцентный краситель.

8. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 6, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки содержит полистирол.

9. Сцинтилляционное оптическое волокно по п. 8, отличающееся тем, что легирующая добавка красителя содержит в тонкой оболочке из полистирола приблизительно 2% синего флуоресцентного красителя.

10. Детектор излучения для регистрации частиц излучения с низкой энергией, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, причем каждое волокно содержит твердую удлиненную сердцевину, тонкий слой оболочки, окружающий полностью внешнюю поверхность сердцевины по всей ее длине, и легирующую добавку красителя, диспергированную внутри тонкого слоя оболочки, отличающийся тем, что тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, при этом каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя, причем по меньшей мере один фотон передается через волокно за счет явления полного внутреннего отражения и обнаруживается датчиком наличия фотонов, подсоединенным к торцу по меньшей мере одного оптического волокна так, что по меньшей мере один фотон передается через сердцевину за счет явления внутреннего отражения.

11. Детектор излучения по п. 10, отличающийся тем, что средство датчика содержит фотоумножительную трубку для подсчета фотонов.

12. Детектор излучения по п. 11, отличающийся тем, что сердцевина выполнена из чистого полистирола или чистого акрила РММА.

13. Детектор излучения по п. 12, отличающийся тем, что тонкий слой оболочки содержит полистирол.

14. Детектор излучения по п. 13, отличающийся тем, что тонкий слой оболочки из полистирола имеет толщину приблизительно 2-20 мкм.

15. Детектор излучения по п. 14, отличающийся тем, что толщина тонкого слоя оболочки составляет приблизительно 10 мкм.

16. Детектор излучения по п. 10, отличающийся тем, что легирующая добавка красителя содержит флуоресцентный краситель, имеющий один из цветов видимой области спектра: синий, зеленый, красный и желтый.

17. Детектор излучения по п. 10, отличающийся тем, что тонкий слой оболочки содержит полистирол.

18. Детектор излучения по п. 17, отличающийся тем, что средство легирующей добавки красителя содержит в тонком слое оболочки из полистирола приблизительно 2% синего флуоресцентного красителя.

19. Детектор излучения по п. 17, отличающийся тем, что датчик содержит фотоумножительную трубку для подсчета фотонов.

20. Устройство для контроля источника воды с возможностью обнаружения присутствия бета-частиц, полученных при распаде трития, содержащее пучок сцинтилляционных оптических волокон, чувствительных к бета-излучению с низкой энергией, причем каждое оптическое волокно имеет твердую сердцевину с торцами, тонкий слой оболочки, окружающий полностью внешнюю поверхность сердцевины по всей ее длине, легирующую добавку на основе красителя, диспергированную внутри тонкого слоя оболочки, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки выполнен с возможностью при контакте с частицей излучения с малой энергией передавать энергию частицы множеству фотонов, при этом каждый фотон имеет частоту энергии излучения, определяемую легирующей добавкой красителя, и по меньшей мере один фотон передается через волокно за счет явления полного внутреннего отражения, при этом устройство для контроля источника воды содержит средство подачи воды в непосредственный близкий контакт с волокнами пучка и датчик для обнаружения и индикации наличия фотонов, подсоединенный к первым торцам оптических волокон пучка так, что когда по меньшей мере один фотон передается через сердцевину волокна за счет явления полного внутреннего отражения к первому торцу, датчик обнаруживает по меньшей мере один фотон и индицирует наличие фотонов.

21. Устройство по п. 20, отличающееся тем, что средство подачи воды в непосредственный близкий контакт с волокнами пучка содержит корпус, который вмещает в себя пучок волокон, причем корпус снабжен вводом для подачи воды в корпус в контакт с волокнами пучка.

22. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что датчик содержит первую фотоумножительную трубку для подсчета фотонов, расположенную на одной стороне корпуса и подсоединенную к каждому волокну на их первом торце.

23. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что средство датчика дополнительно содержит вторую фотоумножительную трубку для подсчета фотонов, расположенную на второй стороне корпуса и подсоединенную к вторым торцам волокна пучка, и средство термоэлектрического охладителя, связанное с каждой фотоумножительной трубкой.

24. Устройство по п. 20, отличающееся тем, что сердцевина выполнена из чистого полистирола или чистого акрила РММА.

25. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки содержит полистирол.

26. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки из полистирола имеет толщину приблизительно 2-20 мкм.

27. Устройство по п. 26, отличающееся тем, что толщина тонкого слоя оболочки составляет приблизительно 10 мкм.

28. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что легирующая добавка красителя содержит флуоресцентный краситель, имеющий один из цветов оптического диапазона спектра: синий, зеленый, красный и желтый.

29. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что легирующая добавка красителя содержит синий флуоресцентный краситель.

30. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что тонкий слой оболочки содержит полистирол.

31. Устройство по п. 30, отличающееся тем, что легирующая добавка красителя содержит в тонком слое оболочки из полистирола 2% синего флуоресцентного красителя.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.10.2002

Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004