CC BY
32ВКВО-2019- Стендовые
ВОЛОКОННЫЕ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ
ДЛЯ ДОЗИМЕТРИИ
Алексеев А.С.*, Приходько В.В., Трегубов А.В.
НИТИ им. С.П.Капицы УлГУ, г.Ульяновск * E-mail: granik@ya.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16180
На сегодняшний день сохраняет актуальность разработка новых и модернизация существующих систем мониторинга безопасности объектов атомной энергетики. Одним из перспективных направлений является создание распределенных измерительных систем и комплексов на основе оптического волокна. Ранее авторами рассматривались дозиметрические системы и волоконные сенсорные элементы на базе сцинтилляционных и спектросмещающих волокон [1 -2]. Однако, особый интерес представляет эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ): использование технологии детектирования и анализа ВРМБ в известных промышленных датчиках позволяет осуществлять измерения температуры и механического напряжения вдоль протяженного участка волоконно-оптического кабеля, обеспечивая высокое разрешение по координате и температуре, стабильность измерений во времени и возможность непрерывного автоматического мониторинга.
С другой стороны, известным методом измерения как активности источника, так и дозы ионизирующего излучения является калориметрический метод, основанный на изменении температуры детектора, взаимодействующего с ионизирующим излучением. Преимуществом калориметрических детекторов является независимость от энергии частиц, простота конструкции и надежность. Совмещение двух упомянутых выше методов измерения позволяет провести разработку распределенного дозиметрического сенсорного элемента с улучшенными эксплуатационными свойствами. Преимущество такого подхода заключается в возможности разработки распределенного волоконного дозиметра с использованием всего лишь одной протяженной волоконной линии. Основной целью данной работы является разработка и численное решение физических моделей элементов калориметрического волоконного сенсора с целью оценки его эффективности и чувствительности.
На рисунке 1 представлена структурная схема такой распределенной волоконной калориметрической дозиметрической системы. В системе присутствуют n волоконных калориметрических сенсорных элементов, которые находятся в активной зоне под действием источников радиационного излучения. Показания с сенсорных элементов снимаются рефлектометрическим способом на основе детектирования и анализа ВРМБ с помощью рефлектометра 3 и чувствительного волокна 2.
Рис. 1 - Структурная схема распределенной волоконной калориметрической дозиметрической
системы
Волоконный калориметрический сенсорный элемент представляет собой бриллюэновский сенсор температуры для регистрации мощности дозы ионизирующего излучения благодаря специальным насадкам на волокно (детекторам), работающим на основе калориметрического эффекта.
344 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Стендовые
Для такой системы предложено несколько вариантов геометрии детекторов (см. рис. 2):
а) б)
Рис. 2 - Варианты геометрии детекторов: (а)цилиндрическая и (б) сферическая
1. детектор в виде цилиндра из материала с высоким коэффициентом поглощения ионизирующего излучения, на боковой поверхности которого витками фиксируется оптическое волокно. Для компенсации тепловых потерь цилиндр размещен внутри теплоизолирующего кожуха, выполненного из высоко-прозрачного для гамма-квантов материала. Высота цилиндра оптимизируется в соответствии с расчетными данными. Такая конструкция позволяет максимально увеличить площадь детектирующей области и таким образом повысить геометрическую эффективность детектора, а также позволяет увеличить площадь контакта между детектором и волокном для повышения эффективности теплопереноса между детектором и волокном, но одновременно обладает следующими недостатками: анизотропность детектора, зависимость эффективности детектора от его ориентации относительно источника, справедливость калибровки только для определенной ориентации детектора;
2. детектор сферической формы с цилиндрическим отверстием, проходящим через центр сферы, с диаметром, равным диаметру транспортного волокна. Детектор фиксируется на волокне при помощи теплопроводящего клеющего состава. Преимуществом такого подхода является возможность разработки миниатюрных детекторов, которые могут располагаться с определённым шагом по всей длине волокна, позволяя проводить распределенные измерения мощности дозы радиационного излучения, также такие детекторы изотропны и просты в калибровке. К их недостаткам относятся: меньшая (по сравнению с цилиндрической) объемная эффективность и меньшая площадь контакта с оптическим волокном.
В качестве материалов для детекторов выбраны свинец, медь и алюминий исходя из высоких показателей их теплопроводности, что имеет значение для повышения эффективности теплопереноса внутри тела детектора. Было проведено численное моделирование взаимодействия ионизирующего излучения с веществом детектора методом Монте-Карло, реализованном в Geant4, которое показало высокую эффективность данных материалов при поглощении энергии радиационного излучения. В результате моделирования получены распределения поглощенной энергии в теле детектора в зависимости от его толщины с использованием алюминия, меди и свинца для радиационного источника на основе 60Co. Детектор на основе свинца наиболее эффективен, при этом максимум поглощенной энергии приходится на внешний слой толщиной до 10 мм.
Для разработанной дозиметрической системы предложено два способа измерения мощности дозы излучения: 1) оценка динамики приращения температуры детектора - для случая быстропротекающих процессов; и 2) оценка мощности теплопотерь при достижении термодинамического равновесия - для случая статичного поля; последний способ позволяет производить многократные измерения, увеличивая тем самым точность результата. Проведенная экспериментальная оценка погрешности измерения температуры двумя методами показала, что для бриллюэновского распределенного датчика температуры минимальная погрешность измерения составляет 10%, что при комнатной температуре соответствует 2,5 °С.
Работа выполнена при поддержке РФФИ и Правительства Ульяновской области (грант 18-48730038).
Литература
1. Пат. RU167517U1 Российская Федерация, Оптоволоконная бета и гамма дозиметрическая система : /Новиков С.Г. Черторийский А.А. Беринцев А.В. Алексеев А.С. Светухин В.В. Приходъко В.В.; 2016
2. Simulation and experimental study of a scintillation fiber detector of the activities oof 63Ni-, 89Sr- and 90Sr-based radiation sources / Viacheslav Svetukhin, Victor V. Prikhodko, Sergey G. Novikov et al. // Advanced Engineering Technology II.— Vol. 835 of Applied Mechanics and Materials.— Trans Tech Publications, 2016.—6.— P. 626-631
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 345
