輻射檢測器的制造方法
【專利摘要】本申請描述了一種輻射檢測器裝置，該裝置包括適合于分布式光纖聲學/振動感測的至少一個光纖（104），該光纖至少鄰接與第二電極（202）隔開的第一電極（201），其中第一電極和第二電極之間具有氣體。
【專利說明】輻射檢測器
[0001]本發明涉及用于檢測電離輻射的，使用光纖的方法和裝置，并特別地涉及分布式光纖福射檢測器。
[0002]存在希望檢測和/或監視電離輻射的各種應用。例如，在核能工業中可能希望監視在發電站之內的各種位置處的輻射水平。在許多實例中，期望能夠遠程和自動地完成這樣的監視。同樣，醫院放射科部門以及使用放射性源的其他組織也可能具有針對安裝的輻射檢測器的需求。
[0003]被部署以提供在給定位置中的監視的輻射檢測器通常傾向于是氣態電離檢測器或者諸如半導體輻射檢測器的固態檢測器。
[0004]氣體電離檢測器，諸如眾所周知的Geiger-MUller管，通常包括在氣態大氣中的兩個緊密隔開的電極，其中低于氣體的擊穿電壓的電勢差被施加到所述電極。在存在電離輻射的情況下，氣體的某些原子或分子將被電離，并且產生的電子和離子將允許電流在所述電極之間流動。電流的流動可以被檢測并且被用作電離輻射的存在的指示。所施加的電勢差的強度可以是相對高的，從而導致氣體中的雪崩倍增(avalanche multiplicat1n),其導致針對每個檢測事件的相對大的電流脈沖。
[0005]半導體檢測器通過測量由創建在檢測器材料中的電子-空穴對的電離輻射引起的得到的電流來操作。半導體檢測器可以提供快速反應時間但傾向于比氣態電離檢測器昂貴并且可能需要冷卻來減少泄漏電流。
[0006]這樣的輻射檢測器在給定位置處操作以測量該位置處的電離輻射。在很多應用中，多個不同的檢測器必須定位于各種位置處以提供足夠的覆蓋，例如提供足夠的面積覆蓋和/或提供在設施之內的不同位置處的監視。每個檢測器必須被供電并且通常必須能夠將其讀數傳送到諸如一個或多個控制中心的遠程位置。因此，安裝這樣的輻射檢測器可以存在相對顯著的成本和復雜度。
[0007]本發明的實施例提供了至少減輕這些問題中某些的輻射檢測器。
[0008]因此，根據本發明，提供了一種輻射檢測器裝置，其包括:適合于分布式光纖聲學/振動感測的至少一個光纖，該光纖至少鄰接與第二電極隔開的第一電極，其中第一電極和第二電極之間具有氣體。
[0009]在操作中，電勢差將被施加在第一電極和第二電極之間。因此，所述裝置可以包括用于將電勢差施加在第一電極和第二電極之間的電路。電勢差可以相對高但低于氣體的擊穿電壓。特別地，所述電勢差可以足夠高以使得氣體的電離的原子/分子的存在導致雪崩倍增。因此，在存在電離輻射的情況下，氣體的某些原子/分子可被電離，導致在電極之間的帶電粒子的級聯(cascade ),例如來創建火花。
[0010]光纖鄰接電極并且適合于分布式聲學感測。分布式聲學感測(DAS)是一種已知類型的感測，其中光纖被部署為感測纖維并且被以光輻射(這里其應該被理解為意味著可見光以及紫外或紅外輻射)詢問。從光纖之內反向散射的輻射被檢測并且被分析以揭示關于作用于在感測纖維即通道的不同縱向區段中的光纖的聲學激勵的信息。通常，詢問光輻射包括光輻射的一個或多個脈沖并且通過分析在一個或多個時間箱(time bin)中的反向散射輻射，可以檢測在光纖的一個或多個離散感測部分處入射的聲學信號。因此，DAS傳感器有效地充當光纖的感測部分的線性感測陣列，其可以是(但不必須是)鄰近的。纖維的感測部分的長度通過詢問輻射的特性以及對反向散射信號應用的處理確定，但是可以使用大約數米到數十米數量級的感測部分。注意，如這里所用的那樣，術語聲學應該意味著可導致光纖上的應變(strain)改變的任何類型的壓力波或機械擾動，并且為了避免疑惑，術語聲學被視為包括超聲波和次聲波。
[0011]在本發明的實施例中，可使用已知的分布式聲學感測技術監視光纖。如上所述，在存在電離輻射的情況下，氣體可被電離并且帶電粒子級聯，即火花可以由于電極之間所施加的電勢差而被產生。該級聯將不僅導致帶電粒子的流動，而且一般將產生在氣態介質中的壓力波，即聲波。換言之，在使用中，由電離輻射的存在而產生的火花一般將由可以是相對強的尖銳聲音伴隨。分布式聲學傳感器能夠檢測由級聯生成的聲波并且因此提供已經發生了放電的指示，因此指示電離輻射的存在。分布式聲學傳感器可以有效地“監聽”與火花或帶電粒子級聯相關聯的聲音。隨時間的檢測事件的數量將給出在給定位置處的電離輻射的水平的指示。
[0012]帶電粒子級聯還將生成可以附加地或替代地被分布式聲學傳感器檢測的熱信號。即火花將導致氣體和電極受熱。如果分布式聲學傳感器定位于接近于，例如耦合到電極中的一個，則由級聯生成的熱量中的至少某些將傳遞到光纖或者至少傳遞到熔覆(cladding)/夾套(jacket)層。火花可以在相對短的時段內導致溫度上的相對大的改變。這將導致由光纖的折射率的調制產生的光路長度改變以及纖維材料的可能的任何熱膨脹。因此，光纖/夾套材料的相對快速的受熱將導致像擾動一樣相對快速的應變。該熱引入的路徑長度改變在可以由分布式聲學傳感器檢測的時間規模上，所述分布式聲學傳感器代替或者除了聲壓力波之外。在某些實例中，檢測熱引入的擾動可以提供電離事件的更可靠檢測。
[0013]本領域技術人員將理解，分布式聲學傳感器響應于纖維的連續詢問，比較從纖維的給定感測部分返回的信號，以便確定纖維的任何擾動活動。這樣的傳感器能夠提供在聲頻處的入射振動的良好檢測。然而，這樣的傳感器通常不能夠可靠地檢測低頻應變以及緩慢的溫度改變，而且這樣的低頻效應確實可被看作噪聲。然而，本發明人理解，由帶電粒子級聯引起的受熱效應將導致由較緩慢的冷卻跟隨的相對快速的受熱，其將在來自分布式聲學傳感器的返回中創建可靠的簽名。
[0014]本領域技術人員還將理解，基于光纖的分布式溫度感測(DTS)是另一已知技術，其依賴于檢測已經經受了 Brillouin和/或Raman散射的光以及分析光來確定溫度。應注意，大多數DTS系統要求相對長的時間平均來提供準確的測量結果，并且常規的DTS系統通常將缺乏時間分辨率以及溫度分辨率來檢測由帶電粒子級聯產生的熱脈沖。
[0015]因此，本發明的實施例使用兩個隔開的導體來在存在電離輻射的情況下生成帶電粒子級聯，但使用光纖分布式聲學傳感器來檢測與級聯相關聯的擾動，其可以是由于聲壓波或者由于歸因于級聯的熱量擾動或者由于二者。
[0016]因此，光纖加倍為感測纖維以及將感測數據從感測位置傳送到適合的控制站的裝置二者。
[0017]在一個實施例中，可以存在在沿光纖的長度的間隔處隔開的多個電極對，每個電極對包括第一電極和第二電極。如上文提及的那樣，在DAS中，光纖可以提供多個離散的感測部分。光纖因此可以被詢問，使得至少某些電極與在使用中的纖維的不同感測部分相關聯。這意味著，與在一個位置中的一個電極對相關聯的檢測事件可以區分于與在不同位置中的另一電極對相關聯的檢測事件。因此，可以使用相同的光纖來分離地監視來自在兩個不同位置中的電極對的檢測事件。
[0018]在一個實施例中，第一和第二電極可以是延伸光纖的長度的至少一部分延伸的細長電極。第一和第二電極可以在長度上大于100 m或者在長度上大于500 m或者在長度上大于I km。本發明的該實施例提供了分布式電離輻射檢測器。
[0019]在該實施例中，第一和第二電極將在使用中具有如先前描述的施加到它們的電勢差，并且在存在電離輻射的情況下，沿電極的長度的任何位置(其中在電極之間存在適合的氣體)可以導致帶電粒子的級聯并且因此創建在相關位置處的激勵。如先前描述的那樣，可以詢問光纖以提供多個離散的感測部分并且因此可以在光纖的單獨的感測部分中檢測與電離事件相關聯的擾動。這意味著細長電極和光纖的布置可以伸展通過該區域并且有效地提供電離輻射的多個單獨的檢測器。本發明的該實施例因此提供了在各種位置處檢測電離輻射的一種非常方便的方法。根據本實施例的分布式輻射檢測器可以被輕易地安裝并且僅需要將電勢差供應到電極(其可以在遠離被監視的區域的一端處完成)以及光纖的端的光詢問，再次，其也可以遠離被監視的區域。因此，不需要針對向多個點傳感器供應功率或者從多個點傳感器接收數據的復雜布置。
[0020]可以由使用的詢問光輻射的特性以及后續的分析確定光纖的感測部分的長度。例如，可以詢問光纖以提供在長度上為大約10 m的數量級的多個鄰近的感測部分。因此，每個10 m區段充當分離的檢測器。雖然由每個火花即電離事件生成的聲學/熱量信號將是可檢測的，但激勵在多于一個感測部分(取決于布置)中未必可檢測，除非它在非常靠近在感測部分之間的邊界處發生。因此每個感測部分可以提供很大程度上獨立的檢測器。如將在下文更詳細陳述的那樣，在使用中也可以通過改變詢問輻射的特性和/或分析來變化在光纖之內的感測部分的空間尺寸和位置。這提供了分布式輻射檢測器的操作中的靈活度，其在固定點傳感器的情況下不存在。
[0021]該實施例需要將電勢差施加到在長度上相對長，即在長度上是數百米或者甚至數千米數量級的電極。然而，不需要顯著的電流流動，并且因此能量要求相對低。
[0022]應該注意，如果電離事件導致帶電粒子的級聯，則將在電極之內生成電流。可能檢測這樣的電流脈沖，但是針對數百米長度或更長的電極，在不需要使用低電阻電極(其因此成本高)的情況下準確地檢測小的電流脈沖可以是困難的，并且在可能的干擾以及信噪比的情況下可能存在顯著的問題。然而，即使可以可靠地檢測電流脈沖，也應注意電流脈沖的檢測將僅指示在沿電極長度的某處已經發生了至少一個電離事件。針對具有500 m的數量級的長度或更長的電極，這可能給不出關于電離事件發生在哪里的足夠的信息。而且，將不可能區分在不同位置處發生的兩個事件，而是其生成同時的電流脈沖。因此僅僅觀察產生的電流將不提供關于沿電極的長度的電離輻射的位置的顯著信息。
[0023]然而，在本發明的實施例情況下，電離事件的位置可以被確定到在光纖的感測部分的空間分辨率之內并且將分離地檢測在不同位置處的同時的事件。
[0024]然而，在某些實施例中，可以監視在電極中生成的電流。通過監視在電極中流動的總電流以及由分布式光纖傳感器檢測的電離事件，可能確定關于電離輻射的某些附加信息和/或提供某些校準(calibrat1n)。例如，考慮在第一時間處，電離事件的僅有的源是背景輻射。這可導致在沿纖維的長度的隨機位置處發生的檢測事件并且可以生成在電極中的第一值的電流。如果在之后的時間處在纖維的給定位置處，假定從纖維的若干鄰近的感測部分檢測顯著地更多的電離事件，則這可以指示輻射源正在輻射該位置。在該點處，電極中的總電流可以已經增加到第二值。在電流中的該增加可以被假設為由作用于纖維的相關區段的增加電離事件產生。因此，在電流中的增加給出在給定位置中發生的電離事件的數量的指示。因此，測量總電流可以給出沿電極的長度發生的電離事件的數量的指示，以及其如何隨時間改變的指示以及分布式光纖傳感器允許電離事件發生定位于哪里的指示以及事件數量的另一測量的指示。
[0025]在一個實施例中，光纖可耦合到第一或第二電極中的至少一個，即機械地耦合。這可以改善由帶電粒子級聯產生的聲學激勵到光纖耦合和/或由級聯生成的熱量從電極到光纖的流動。因此，例如將通常被布置在至少一個熔覆層或夾套層中的光纖可以附接到比方說第一電極。稱合到光纖的電極被優選地布置為沿與光纖相同的一般方向延伸。
[0026]光纖可以具有涂層或阻擋層以保護其免受在存在電離輻射的情況下發生的放電。光纖還可以被涂上保護光纖免受歸因于電離輻射的損害的材料。
[0027]可以選擇光纖和電極之間的材料以具有期望的熱特性，例如來提供到光纖夾套的良好熱傳遞，例如相對高的傳導性和/或熱膨脹，和/或在某些實例中的相對高的熱膨脹的系數(雖然由纖維的受熱引起的折射率調制可能是比任何熱膨脹大的效應)。
[0028]在一個實施例中，第一和/或第二電極可被布置在具有光纖的線纜結構之內。換言之，光纖線纜結構可以包括第一和第二電極中的至少一個并且可以包括二者。在線纜包括第一和第二電極二者的情況下，電極可被多孔材料在至少某些區段中分離，以允許在電極之間的氣體和/或允許在電極之間存在可以以氣體填充的至少一個空處。換言之，可以設計線纜，使得氣體能夠彌漫或者被包含在第一電極和第二電極之間。在一個實施例中，第一和第二電極可以伸展通過在使用中包含氣體的一系列空腔。可以布置空腔以具有導致特定的諧振頻率的尺寸。如果由火花導致壓力波，則空腔可在諧振頻率處諧振。檢測諧振頻率可以幫助檢測電離事件。
[0029]第一和第二電極中的至少一個可以包括導線。然而，在一個實施例中，至少一個電極可以包括具有弓形截面的導體。例如，第一電極可被布置有弓形截面并且被布置為至少部分地圍繞第二電極。第一電極可被形成為管。在一個實施例中，第二電極也可具有弓形截面并且可被布置為至少部分地圍繞光纖。第二電極可包括管。
[0030]方便地，分離第一和第二電極的氣體可以是空氣。因此，第一和第二電極可以被分離，以留下在使用中可以對環境開放來允許電極之間的空氣的氣隙。附加地或者替代地，第一和第二電極可被絕緣材料至少在位置中分離，該絕緣材料對空氣是多孔的，但在使用中允許帶電粒子的級聯。
[0031]然而在某些實施例中，特別是其中第一和第二電極形成線纜結構的一部分的情況下，電極可被布置在密封的環境之內。在這樣的環境中，所述氣體可以是在制造線纜結構期間封裝的空氣，但在其他實施例中，如果優選，則使用不同的氣體，例如當電離引入的放電發生時比空氣容易電離和/或產生更大的聲學信號的氣體。在密封的環境中，是空氣或是某些其他的氣體的氣體可以被加壓。然而在密封的環境中，電離輻射將必須通過阻擋層以到達氣體來引起將檢測的電離。可以選擇在結構中用于將氣體從環境密封的材料以對電離輻射具有最小的影響，即允許顯著量的電離輻射通過到包含的氣體中。然而，取決于將被檢測的輻射的類型，例如阿爾法輻射、貝塔輻射或伽馬輻射，所述材料可被調節以提供針對到達氣體的電離輻射的調制或過濾的度。
[0032]因此一般地，在分離第一電極和第二電極的氣體與電離輻射的入射方向之間可以存在至少一個阻擋層。阻擋層可具有被調節以過濾特定類型的電離輻射的特性。例如，阻擋層可以足夠厚以吸收阿爾法粒子或者阻礙低能量的輻射。
[0033]阻擋可以沿著電極和光纖的長度而變化。在第一區段中，可以不存在顯著的阻擋層，而在第二區段中，可以存在阻擋層，其阻止阿爾法粒子比方說到達分離電極的氣體。如果第一和第二區段位于光纖的不同的感測部分中，則從第一區段檢測的聲學/熱學事件可以指示電離輻射的總量，而從第二區段返回的信號將僅表示來自具有足夠的能量通過阻擋層的非阿爾法粒子的電離事件。
[0034]如上文提及的那樣，在某些實施例中，第一和第二電極可以伸展穿過各種空腔。在一個實施例中，至少某些空腔被調節以具有彼此不同的諧振頻率。不同諧振頻率的至少某些空腔可以具有不同的阻擋材料。以這樣的方式，若干空腔可被布置在DAS傳感器的單個感測部分之內，每個空腔具有不同的過濾材料。檢測歸因于級聯放電的聲學信號指示電離事件，并且檢測相關聯的諧振頻率可以指示在其之內發生所述事件的特定空腔。這可以潛在地給出關于電離輻射的特性的某些信息。
[0035]上文描述的實施例將檢測對相關氣體進行直接電離的電離輻射。然而在某些實施例中，檢測器裝置可以附加地或者替代地被布置以檢測經由次級電離的輻射。因此傳感器可包括通過放射電離輻射來響應于入射輻射的材料。例如，為檢測可能不引起氣體的直接電離的中子，所述裝置可以包括響應于中子吸收而放射電離輻射的中子吸收材料。以這樣的方式，任何入射中子可被中子吸收材料，即具有高中子吸收截面的材料吸收，導致來自中子吸收材料的電離輻射的次級放射。該次級電離輻射能夠引起氣體的直接電離，并且因此導致可以如先前所述的那樣檢測的火花。適合的中子吸收材料可以是硼10但其他材料是已知的。
[0036]為了將歸因于中子的事件從導致直接電離的輻射隔離，該裝置可以包括基本上阻礙或衰減其他形式的電離輻射的在傳感器的至少一部分上的屏蔽層。在某些實施例中，中子吸收材料可以包括屏蔽層的至少一部分。
[0037]此外，裝置可被布置有響應于中子的一個或多個區段，例如被布置有屏蔽層和中子吸收材料以及響應于直接電離輻射的一個或多個區段，即在沒有屏蔽層和中子吸收材料的情況下，其中每個區段對應于DAS傳感器的不同的感測部分，以允許相同裝置被用于檢測中子和直接電離輻射。
[0038]本發明的實施例提供了一種輻射檢測器，其包括上文描述的裝置、耦合到光纖用于對光纖執行分布式聲學感測的詢問器單兀以及用于向第一和第二電極施加電勢差的電路。
[0039]然而從前述內容中可清楚地看出，雖然可以使用分布式聲學感測的技術(就以下內容而言:以光輻射的脈沖詢問光纖、檢測反向散射的輻射以及針對歸因于任何路徑長度改變的改變分析這樣的輻射)，但是檢測還可以尋找歸因于與帶電粒子級聯相關聯的熱事件的特性簽名，代替或者除了檢測聲學壓力波之外。因此為了避免疑惑，如本文使用的那樣，術語分布式聲學傳感器是指適合于分布式聲學感測的分布式光纖傳感器，即響應于感測纖維的相對快速的路徑長度改變(不論如何生成)的分布式光纖傳感器。
[0040]詢問器單元被配置成發起到光纖中的詢問光輻射并且被配置成檢測從纖維之內反向散射的光輻射。詢問器單元也可以被配置成處理檢測的反向散射輻射以產生針對光纖的多個感測部分中的每個的測量信號，該測量信號指示由所述感測部分檢測的信號。
[0041]該裝置還也包括用于處理所述測量信號以檢測與電離事件相關聯的信號的處理器。例如，處理器可以分析信號來檢測火花或級聯放電的信號特征，即相對強的、短持續時間的聲學信號，可能具有特性頻率或者頻率的擴展和/或由歸因于冷卻的向下斜坡跟隨的歸因于快速受熱的快速尖峰。
[0042]在使用中，用于將電勢差施加到第一和第二電極的電路可被布置來隨時間對施加的電勢差進行調制。
[0043]響應于電離事件，電勢差可被周期地關閉或降低到低電平，該低電平不足以引起帶電粒子的級聯。應該理解，DAS傳感器將不僅響應于由電離事件生成的擾動，還響應于其他入射聲學信號。由電離事件產生的信號的特性簽名，即相對強、短持續時間的聲學信號和/或具有在檢測的信號中的跟隨以歸因于冷卻的回到基線的較緩慢的斜坡的歸因于快速受熱的尖峰，可能具有特性頻率或者頻率的擴展，在某些實施例中可以徹底不同于任何背景聲學信號。在該情況下，可以從入射到DAS傳感器的光纖上的任何背景噪聲信號容易地標識并區分歸因于電離事件的信號。然而，在至少某些實施例中，可能希望確定作用于纖維的背景噪聲以便改善歸因于電離事件的信號的檢測。通過響應于電離輻射，周期地降低在第一和第二電極之間的電勢差從而基本上停止任何激勵，可以直接確定背景噪聲并且在歸因于電離事件的聲學信號的后續的識別中使用所述背景噪聲。
[0044]附加地或者替代地，可以隨時間調制在第一和第二電極之間的電勢差從而確定關于存在的任何電離輻射的光譜信息。通過變化在電極之間的電勢差，在級聯放電發生之前需要的電離量也變化。例如，相對低能量的粒子在它通過氣體時可能僅電離少數氣體分子/原子。在高的施加的電勢差的情況下，這可以導致帶電粒子的級聯，因為少數的離子/電子被加速導致雪崩倍增。在較低的施加的電勢差處，低能量的粒子可能不產生足夠的電離的粒子來創建級聯。因此，通過變化電勢差以及監視歸因于級聯放電的檢測的信號量，可以確定關于輻射的能量內容的信息。
[0045]本發明還涉及檢測電離輻射的方法。因此，本發明的另一方面提供了一種輻射檢測方法，該方法包括:將電勢差施加于在氣體中彼此分離的第一電極和第二電極之間，其中電勢差是足夠的，使得氣體的電離引起在所述電極之間的帶電粒子級聯，以及詢問被部署鄰接于所述第一和/或第二電極的光纖以提供分布式聲學傳感器；以及針對與帶電粒子級聯相關聯的信號監視所述分布式聲學傳感器。
[0046]本發明的該方面的方法提供了與本發明的第一方面相同的全部益處和優勢，并且可以在全部相同的實施例中操作。
[0047]一般地，本發明的實施例提供了一種分布式輻射檢測器，其包括彼此隔開的第一和第二細長電極以及分布式聲學傳感器，該分布式聲學傳感器包括沿著所述第一和第二細長電極的路徑部署的感測光纖。
[0048]本發明還涉及分布式聲學傳感器用于檢測由在兩個電極之間的火花生成的聲學信號以檢測電離輻射的用途。
[0049]現在將僅參考以下附圖，經由示例來描述本發明，其中:
圖1圖示了常規的分布式聲學傳感器；
圖2圖示了根據本發明的輻射檢測器的實施例；
圖3圖示了具有多個電極對的輻射檢測器；
圖4圖示了根據本發明的分布式輻射檢測器的實施例；
圖5圖示了根據本發明實施例的第一線纜結構；
圖6根據本發明實施例的第二線纜結構；
圖7圖示了適合于檢測中子的實施例；
圖8圖示了根據本發明實施例的使用輻射檢測器的光譜圖；以及圖9a和圖9b圖示了記錄的火花放電的兩個時間序列。
[0050]本發明將分布式聲學感測技術應用于電離輻射的檢測/監視。
[0051]圖1示出了常規的分布式光纖感測布置的示意圖。一段感測纖維104在一端處可移除地連接到詢問器106。來自詢問器106的輸出被傳遞到可以與詢問器共同定位或者可以遠離詢問器的信號處理器108，并且可選地被傳遞到在實踐中可以由適當指定的PC實現的用戶界面/圖形顯示器110。用戶接口可以與信號處理器共同定位或者遠離信號處理器。
[0052]感測纖維104在長度上可以是數千米，并且在長度上可以例如是40 km或更長。感測纖維可以是諸如在通信應用中例行使用的標準的、未修改的單模光纖，不需要諸如纖維Bragg光柵等等的故意地引入的反射站(reflect1n site)。使用標準光纖的未修改的長度以提供感測的能力意味著可以使用低成本的容易得到的纖維。然而，在某些實施例中，纖維可以包括已被制造為對入射振動特別敏感的纖維。在使用中，纖維104被部署在將監視的感興趣的區域中。
[0053]在操作中，詢問器106將詢問電磁輻射發起到感測纖維中，所述詢問電磁輻射可以例如包括一系列具有選擇的頻率模式的光學脈沖。光學脈沖可以具有如在GB專利公開GB 2，442，745中描述的頻率模式，由此將其內容通過引用合并于此，雖然依賴單個詢問脈沖的DAS傳感器也是已知的并且可以被使用。應注意，如本文使用的那樣，術語“光學”不限制于可見光譜，并且光輻射包括紅外輻射和紫外輻射。如在GB 2，442，745中描述的那樣，Rayleigh反向散射的現象導致輸入到纖維中的光的某部分被反射回到詢問器，在其處其被檢測來提供輸出信號，所述輸出信號表示在纖維附近的聲學/機械擾動。因此，詢問器方便地包括至少一個激光器112和至少一個光調制器114，用于產生由已知的光頻差分離的多個光學脈沖。詢問器也包括至少一個光電檢測器116，其被布置為檢測從在纖維104之內的本征散射站(scattering site) Rayleigh反向散射的福射。Rayleigh反向散射DAS傳感器在本發明的實施例中非常有用，但基于Brillouin或Raman散射的系統也是已知的并且可以在發明的實施例中使用。
[0054]來自光電檢測器的信號由信號處理器108處理。信號處理器基于在光學脈沖之間的頻差，方便地對返回的信號進行解調，例如如在GB 2，442，745中描述的那樣。信號處理器也可以應用如在GB 2，442，745中描述的相位解纏(unwrap)算法。因此可以監視來自光纖的各種區段的反向散射光的相位。因此可以檢測在纖維的給定區段之內的有效光路長度中的任何改變，諸如由于入射壓力波導致在纖維上的應變或者由于光纖線纜的局部快速受熱導致折射率的調制將是的那樣。
[0055]光輸入的形式和檢測方法允許將單個連續纖維空間地分解成離散的縱向感測部分。即可以基本上獨立于在鄰接部分處感測的信號提供在一個感測部分處感測的聲學信號。這樣的傳感器可以被視為完全分布式或本征傳感器，因為其使用在光纖中內在處理的本征散射，并且因此貫穿完整的光纖分布感測功能。光纖的感測部分的空間分辨率例如可以是大約10 m，其針對比方說40 km的數量級的連續長度的纖維提供大約4000個獨立的聲學通道，沿40 km的纖維部署所述獨立的聲學通道。
[0056]已經在許多環境例如周長(perimeter)監視中采用DAS。本發明的實施例在使能輻射檢測器中使用DAS。
[0057]將參考圖2說明所述輻射檢測器的原理。根據本發明的一個實施例，圖2在左邊示出了輻射檢測器的剖視圖并且在右邊示出了輻射檢測器的側視圖。圖2示出了鄰接第一電極201的光纖104,該光纖104是諸如上文關于圖1描述的那樣的感測光纖。由氣隙d將第一電極從第二電極202分離。電極201和202可以是任何適合的傳導性電極，例如導線等等。由諸如絕緣隔離片(spacer) 203的支撐結構將電極支持達期望的距離d，并且在使用中，以氣體填充在電極之間的空間。在某些實施例中，在電極之間的間隙對局部環境可以是開放的，并且因在使用中可以被填充以空氣。
[0058]在使用中，將電勢差V通過適合的電路(在圖2中未示出)施加到電極201和202。施加的電勢差是相對高的，但是低于相關氣體的擊穿電壓，在該實例中所述相關氣體為空氣。施加的電勢差可以例如是3 kV/m的量級(基于電極的分離d)。在不存在電離輻射的情況下，施加的電壓因此不足以導致氣體的擊穿。
[0059]然而，在存在電離輻射的情況下，電離輻射可以導致電離事件204，其中氣體的一個或多個原子或分子被電離。產生的電子和離子將被相對高的電勢差加速并且可以導致雪崩倍增。帶電粒子的級聯因此可以流到電極(取決于相對極性)。有效地，電離輻射對足夠的氣體原子/分子進行電離以產生級聯放電，例如火花。這將產生電流的瞬間流動但是也將創建在氣體中的聲波。該聲學激勵將被入射到感測光纖上并且可以被檢測為如上文描述的聲學激勵。
[0060]帶電粒子的級聯，即火花，將導致在火花的附近的電極201的受熱。該熱量中的至少某些將流到光纖104并且導致在路徑長度中的相對快速的改變，例如，來自光纖的折射率的調制。這可以導致以好像施加了突然的應變的類似形式的在來自光纖的測量信號中的可檢測的改變。該受熱將是相對快速的，比方說大約10 ms的數量級。然后光纖將在比方說大約半秒的時段內冷卻。該效應可以產生在來自DAS傳感器的測量信號中的特性簽名，其具有快速的改變，跟隨以回到先前水平的緩慢斜坡，該緩慢斜坡也可以被檢測。因此，代替或者除了響應于聲壓力波檢測突然的強信號之外，也可以檢測歸因于由火花導致的快速受熱的信號。
[0061]本發明的實施例因此使用DAS傳感器來有效地監視在存在電離輻射情況下由氣體放電事件產生的火花。在每個感測部分中隨時間檢測的這樣的事件的數量可以被用于給出在光纖的每個感測部分處的電離輻射的數量的指示。
[0062]為了最大化由光纖104檢測的聲學信號，纖維可耦合到至少一個電極。如在圖2中示出的那樣，光纖耦合到電極201并且與電極202隔開，雖然在另一實施例中，第二電極可以定位于205從而也耦合到光纖。將纖維耦合到電極中的一個也將最大化歸因于火花的從電極到纖維的熱量傳輸，并且因此最大化熱簽名。
[0063]為了保護光纖免受火花的影響，光纖可以被布置于涂層206(其可以是光纖的正常夾套材料的一部分或者是附加的保護層)中。可以選擇涂層206來保護纖維，而且提供諸如高的熱膨脹或傳導性的期望的熱特性。
[0064]光纖可被部署鄰接于多個第一和第二電極對，如在圖3中示出的那樣，其圖示了伸展通過第一電極對201a和202a以及第二電極對201b和202b的光纖。可以布置DAS傳感器，使得至少某些電極對位于不同的感測部分中。因此，電極對201a和202a位于第一感測部分104a中，并且電極對201b和202b位于第二感測部分104b中。
[0065]然而在某些實施例中，電極201和202可以是在長度上為數百米的數量級或更長的細長電極。圖4示出了其中光纖104具有沿其長度的顯著部分伸展的第一電極201和第二電極202的實施例。可以詢問感測光纖來提供如上文討論的多個感測部分。每個感測部分將檢測由在該感測部分之內的級聯放電產生的聲學事件。以這樣的方式，各種電離事件的位置可以被檢測到光纖的感測部分的空間分辨率之內。如上文所提及的那樣，可以在長度上多達40 km的數量級或更長的光纖上采用DAS，其中空間感測部分在長度上大約為10m的數量級，提供了 4000個感測通道。
[0066]為了在例如設施之內的一系列位置處提供輻射感測，具有諸如導線(例如，正常的銅線等等)的細長電極的光纖可以被以期望的模式鋪設通過建筑。可以布置光纖和電極來環繞關鍵位置。在需要增加敏感度的區域中，可以布置光纖和電極來具有多個環路從而最大化所檢測的改變。也可以按模式布置纖維和電極，以變化傳感器的有效空間分辨率，例如如果纖維被詢問以提供在長度上為10 m的感測部分，并且至少10 m長度的光纖的部分被布置于在給定位置中的I m距離之內，則該部分的有效空間分辨率將是I m。
[0067]取決于被檢測的輻射的類型，光纖和電極可以被定位附接到壁結構或者定位于壁結構之內，諸如在空腔壁之內，可以被被布置為在地板上或地板下伸展和/或伸展通過天花板空間或者附接到繩環(rove)。
[0068]具有在長度上為數千米的數量級的單個光纖連同類似長度的電極可以提供顯著程度的覆蓋但僅需要在一端處連接到詢問器單元106，諸如在圖1中示出的那樣。也可以通過如在圖4中示出的適合的電路401將電壓差施加在第一電極和第二電極中的每個的一端處。因此，組合的光纖和電極可以從適合的控制室伸展，該控制室收容詢問器單元106和電路 401。
[0069]雖然本發明的實施例因此需要將相對高的電勢差施加到在長度上為數百米甚至千米的導體，但是不需要運送顯著的電流，并且因此能量需求是相對適度的。
[0070]清楚地，應該部署傳感器以阻止意外的短路，并且電路401可具有電流限制電路以阻止汲取顯著的電流。
[0071]電極和光纖可以被方便地形成線纜結構，該線纜結構支撐電極和光纖并且提供結構完整性和保護。在一個實施例中，如在圖5中示出的那樣，諸如在圖2中示出的布置具有耦合到定位于適合的外夾套材料501之內的電極201和22的光纖104，可以以多孔材料502填充該外夾套材料。多孔材料502可以是具有準許氣體進入的許多空處或間隙的結構。多孔材料應該一般是絕緣的，使得通過具有足夠的孔來維持在電極之間的電勢差，從而在存在電離輻射的情況下允許火花放電。
[0072]夾套材料應該優選地不阻礙其期望檢測的電離輻射，并且因此在某些實例中，其可以是相對薄的和/或是多孔的，以允許諸如阿爾法粒子的輻射到達氣體。
[0073]在另一實施例中，如在圖6中示出的那樣，第一電極和第二電極可被布置為至少部分地圍繞彼此和/或至少部分地圍繞光纖的基本弓形的導體。
[0074]圖6示出了由管狀的第一導體602圍繞的光纖601，其二者都被第二管狀導體603圍繞。可以由保護性夾套材料604保護光纖601來免受火花放電。可以選擇夾套材料來提供期望的熱特性，即到光纖601的熱量的傳導，來最大化由纖維601檢測的熱簽名。在第一和第二電極602和603之間的空間可以是很大程度上空的或者可以被填充以上文描述的多孔材料。在某些實施例中，在線纜結構之內的氣體是密封于環境的。這允許使用不同于空氣的氣體和/或允許氣體被加壓。然而，在其他實施例中，存在例如從線纜機構的內部經由在第二電極603中的一個或多個孔606到外側的流動路徑。為了幫助維持結構完整性，可以存在一個或多個支撐結構607。
[0075]根據發明的該方面的輻射檢測器如之前一樣操作，到達氣體的電離輻射可以導致電離事件，可以檢測相關聯的聲學/熱學信號。應該理解，圍繞氣隙的第二電極603的存在可以阻止某些輻射到達氣體。因此該輻射檢測器可以內在地僅檢測在某一能量之上的電離輻射。然而，在其他實施例中，第二電極在多個位置中可以是多孔的，以提供針對輻射的進入窗口。
[0076]該結構可以包括至少一個外夾套層608，其可以保護傳感器結構和/或其可以被布置為通過僅準許某些類型或能量的電離輻射通過來提供進一步的過濾。然而，此外，外夾套可以被提供以一個或多個孔609以準許空氣流動和/或呈現針對輻射的進入窗口。
[0077]涂層材料可以沿著線纜結構的長度而變化，使得不同的位置對不同類型或能量的輻射敏感。涂層可以在具有纖維的感測部分的長度的數量級的區段中變化，使得不同的感測部分不同地響應。然而，在一個實施例中，氣隙605可以被分成沿線纜結構的長度的一系列空腔，其中每個空腔的長度被調節以給出不同的諧振頻率。然后，在空腔中的火花可以產生具有在空腔的諧振頻率處的相對強的分量的聲學信號。不同的涂層可以與不同的空腔一致地變化。
[0078]用于施加電勢差的電路401也可以被布置為隨時間調制施加的電勢差。
[0079]響應于電離事件，電勢差可被周期地關閉或者降低到低的電平，該低電平不足以產生帶電粒子的級聯。通過響應于電離輻射，周期地降低在第一電極和第二電極之間的電勢差從而基本上停止任何激勵，背景噪聲可以被直接地確定并且用于歸因于電離事件的聲學信號的后續的標識。
[0080]也可以隨時間調制在第一電極和第二電極之間的電勢差從而確定關于存在的任何電離輻射的光譜信息。通過變化在電極之間的電勢差，在級聯放電發生之前需要的電離的量也變化。因此，通過變化電勢差并監視歸因于級聯放電所的聲學信號的數量，可以確定關于輻射的能量內容的信息。
[0081]上文描述的實施例將檢測對相關氣體進行直接電離的電離輻射。然而，在某些實施例中，所述檢測器裝置被布置為檢測經由諸如在圖7中示出的那樣的次級電離的輻射。圖7圖示了適合于檢測可能不引起氣體的直接電離的中子的傳感器。除了光纖104和第一和第二電極201和202之外，該裝置還可以包括響應于中子吸收而放射電離輻射的中子吸收材料703。中子吸收材料被布置為緊接于在屏蔽材料701中的氣隙702。氣隙包含在電極之間的氣體。屏蔽材料阻礙直接電離輻射但準許中子的通過。任何入射中子可以被中子吸收材料702，即諸如硼10的具有高的中子吸收截面的材料吸收，導致來自中子吸收材料的電離輻射的次級放射。該次級電離輻射能夠引起氣體的直接電離并且因此導致可以如先前描述的那樣檢測的火花。
[0082]為了說明本發明的實施例的原理，具有丙烯酸酯夾套材料的光纖被涂有銀(使用銀DAG涂層)以形成作為光纖的外層的第一電極(類似于在圖6中圖示的元件601、604和602)。纖維/電極組合然后被布置在空氣中接近是銅導體的第二電極。5 kV的電勢差被施加到第一電極和第二電極之間并且在電極之間的距離被設置為僅大于導致自發放電的分離的分離。換言之，電極被布置為使得圍繞纖維的電場僅低于空氣的擊穿電壓。在該實驗性布置中，在電極之間的分離為3 mm左右。
[0083]Am 241的0.9 μ Ci源被用于供應5.5 MeV的阿爾法輻射。當該源緊密地靠近接近纖維的強電場時，阿爾法粒子的電離軌跡足夠觸發放電。源的距離和角度被保留，使得放電率被保持為較低水平。
[0084]使用分布式聲學感測詢問器單元來詢問光纖。DAS詢問的單元以光輻射的單個脈沖重復地詢問纖維并且檢測從纖維之內Rayleigh反向散射的輻射，并且基于在后續的詢問之間的強度變化生成測量信號。
[0085]圖8示出了從暴露于電離輻射引入的火花放電得到的三分鐘記錄的光譜圖。在記錄中的第106秒和第165秒處，銅導體被帶得過于接近纖維，導致連續的自發放電。因此在頻率中被標記為801的尖峰是這樣的連續放電的結果。
[0086]然而，可以看到在光譜圖中存在若干其他尖峰，其中的至少某些尖峰被標記為802，其歸因于輻射引入的放電。
[0087]因此可以看到，可以在從分布式聲學傳感器返回的信號中清楚地檢測由輻射引入的帶電粒子的級聯創建的擾動。
[0088]圖9a和9b圖示了來自通常的火花放電的時間序列數據。這些圖示了相對于時間從給定的感測通道檢測的反向散射光的能量/強度，其中連續的樣本是以2.5 kHz的采樣率獲得的。可以看到，在檢測的反向散射的強度中存在具有回到基線的較緩慢的斜坡的可察覺的快速改變。
[0089]到最大值的一半的上升時間大約是10 ms，并且衰減時間常數大約是0.5秒。這些尖峰簽名看起來主要源自于熱輸入，即快速受熱到最大值，隨后是緩慢衰減回到室溫。大約10 ms的受熱時段與針對瞬時能量脈沖的熱膨脹到達光纖中心的可以預期的時段一致。熱量將沿纖維傳導，但這不應顯著地改變信號的幅度，因為總擴張應該保持為大致相同(熱擴張和溫度的改變兩者都與第一近似成線性關系)。
[0090]就冷卻方面而言，熱量將通過傳導/對流以及通過輻射的損耗到空氣中而被失去到周圍。通過使用熱源加熱持續數百微秒并且觀察隨著纖維冷卻隨時間的頻率改變，對涂層纖維進行測試。觀察到數秒的冷卻時段。因此，火花放電檢測的時間序列與光纖歸因于放電的受熱和冷卻一致。
[0091]因此可以看出，可以通過對定位于至少電極上的附近以及優選地耦合到至少電極上的光纖使用分布式聲學感測技術來檢測由電離輻射引起的在兩個電極之間的放電。
[0092]已經參考各種實施例描述了本發明。除非明確地聲明，否則所述的各種特征可被組合到一起并且可以在其他實施例中采用來自一個實施例的特征。
[0093]應該注意，上文提及的實施例說明了而非限制本發明，并且本領域技術人員將能夠在不背離所附權利要求的范圍的情況下設計許多替代實施例。詞語“包括”不排除不同于在權利要求中所列出的那些的元素或步驟的存在，“一”或“一個”不排除多個，并且單個特征或其他單元可以實現在權利要求書中記載的若干單元的功能。在權利要求書中的任何標號或標記不應該被解釋為從而限制它們的范圍。
【權利要求】
1.一種輻射檢測器裝置，其包括:適合于分布式光纖聲學/振動感測的至少一個光纖，該光纖至少鄰接與第二電極隔開的第一電極，其中所述第一電極和所述第二電極之間具有氣體。
2.如權利要求1所述的輻射檢測器裝置，包括用于施加在所述第一電極和所述第二電極之間的電勢差的電路。
3.如權利要求2所述的輻射檢測器裝置，其中所施加的電勢差足夠高以使得氣體的經電離的原子/分子的存在導致雪崩倍增。
4.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，包括在沿著所述光纖的長度的間隔處隔開的多個電極對，每個電極對包括第一電極和第二電極。
5.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和第二電極是延伸光纖的長度的至少一部分的細長電極。
6.如權利要求5所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和第二電極在長度上大于100 m0
7.如權利要求5所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和第二電極在長度上大于I km ο
8.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述光纖耦合至第一電極或第二電極中的至少一個。
9.如權利要求8所述的輻射檢測器裝置，其中所述光纖附接到所述第一電極。
10.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述光纖包括涂層或阻擋層以保護其免受在存在電離輻射的情況下發生的放電。
11.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述光纖包括涂層或阻擋層以保護其免受歸因于電離輻射的損害。
12.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述光纖包括涂層或阻擋層以保護它，所述第一電極和/或所述第二電極被布置在具有所述光纖的線纜結構之內。
13.如權利要求12所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和所述第二電極在至少某些區段中被多孔材料分離以允許在電極之間的氣體。
14.如權利要求12或13所述的輻射檢測器裝置，其中在所述第一電極和所述第二電極之間存在能夠填充氣體的至少一個空處。
15.如權利要求12-14中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和所述第二電極伸展通過在使用中包含氣體的一系列空腔。
16.如權利要求15所述的輻射檢測器裝置，其中空腔被布置為具有導致特定諧振頻率的尺寸。
17.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和所述第二電極中的至少一個包括導線。
18.如權利要求1至16中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中至少一個電極包括具有弓形截面的導體。
19.如權利要求18所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極被形成為管。
20.如權利要求19所述的輻射檢測器裝置，其中所述第二電極被布置為至少部分地圍繞所述光纖。
21.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中分離所述第一電極和所述第二電極的氣體是空氣。
22.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述第一電極和所述第二電極被布置在密封環境之內。
23.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，包括在分離所述第一電極和所述第二電極的所述氣體與電離輻射的入射方向之間的至少一個阻擋層。
24.如權利要求23所述的輻射檢測器裝置，其中所述阻擋層具有被調節以過濾特定類型的電離輻射的特性。
25.如權利要求24所述的輻射檢測器裝置，其中所述阻擋層沿著所述電極和所述光纖的長度而變化。
26.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述檢測器裝置被配置成檢測經由次級電離的輻射。
27.如權利要求26所述的輻射檢測器裝置，包括通過放射電離輻射來響應于入射輻射的材料。
28.如權利要求27所述的輻射檢測器裝置，包括響應于中子吸收而放射電離輻射的中子吸收材料。
29.如權利要求28所述的輻射檢測器裝置，包括基本上阻斷或衰減其他形式的電離輻射的在所述傳感器的至少一部分上的屏蔽層。
30.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器裝置，其中所述光纖耦合到所述電極中的至少一個從而允許從電極到所述光纖的有效的熱量轉移。
31.如前述權利要求中的任一項所述的輻射檢測器，詢問器單元耦合到所述光纖用于對所述光纖執行分布式聲學感測并且電路用于將所述電勢差施加到所述第一電極和所述第二電極。
32.如權利要求31所述的輻射檢測器，其中所述詢問器單元被配置成發起到所述光纖中的詢問光輻射并且被配置成檢測從所述纖維之內反向散射的光輻射。
33.如權利要求32所述的輻射檢測器，其中所述詢問器單元被配置成處理所檢測的反向散射的輻射以產生針對光纖的多個感測部分中的每個的測量信號，所述測量信號指示由所述感測部分檢測的信號。
34.如權利要求33所述的輻射檢測器，包括用于處理所述測量信號以檢測與電離事件相關聯的信號的處理器。
35.如權利要求31-34中的任一項所述的輻射檢測器，其中用于將所述電勢差施加到所述第一電極和所述第二電極的所述電路被配置成隨時間調制所施加的電勢差。
36.如權利要求35所述的輻射檢測器，其中響應于電離事件，所述電勢差被周期性地關閉或降低到低電平，該低電平不足以引起帶電粒子級聯。
37.如權利要求35所述的輻射檢測器，其中隨時間調制所述第一電極和所述第二電極之間的電勢差從而確定關于存在的任何電離輻射的光譜信息。
38.一種福射檢測方法,包括:將電勢差施加于在氣體中彼此分離的第一電極和第二電極之間，其中所述電勢差是足夠的，使得所述氣體的電離引起在電極之間的帶電粒子級聯，以及詢問被部署鄰接于所述第一電極和/或所述第二電極的光纖以提供分布式聲學傳感器；以及針對與帶電粒子級聯相關聯的信號監視所述分布式聲學傳感器。
39.一種分布式輻射檢測器，其包括彼此隔開的第一細長電極和第二細長電極以及分布式聲學傳感器，該分布式聲學傳感器包括沿著所述第一細長電極和所述第二細長電極的路徑部署的感測光纖。
40.一種分布式聲學傳感器用于檢測由兩個電極之間的火花生成的聲學信號以檢測電離輻射的用途。
【文檔編號】G01H9/00GK104428689SQ201380037588
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年5月10日 優先權日:2012年5月14日
【發明者】A.戈弗雷 申請人:光學感應器控股有限公司