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1、(10)申请公布号 CN 103808428 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103808428 A (21)申请号 201310535441.7 (22)申请日 2013.10.31 10-2012-0125680 2012.11.07 KR G01K 11/32(2006.01) G01T 1/00(2006.01) (71)申请人 韩国原子力研究院 地址 韩国大田广域市 申请人 韩国水力原子力 ( 株） (72)发明人 李南昊 金锺烈 曺在完 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 用光纤布拉格光栅传感器测。
2、定温度和放射线 的装置及方法 (57) 摘要 本 发 明 涉 及 一 种 利 用 光 纤 布 拉 格 光 栅 (fiberbragggrating， FGB) 传感器同时测定温度 和放射线量的装置及方法。 具体地说， 就是涉及一 种使用两个光纤布拉格光栅传感器， 在一个传感 器上罩上中空型放射线屏蔽构件以将通过两个传 感器获得的放射线量和温度值分离从而进行准确 测定的技术。 依据本发明， 不论是在处于正常状态 的核电站还是在产生放射线的设施等， 可适用为 同时测定温度和放射线量的常用传感器系统， 并 且可实现商业化。 且当发生核电事故时， 还可用作 能够通过一根光纤线路同时远程测定对掌握事故 。
3、环境内部信息起决定性因素的温度和放射线辐射 量的传感器系统。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103808428 A CN 103808428 A 1/1 页 2 1. 一种将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置， 其特征在 于 ： 包括 ： 曝露于放射线下的光纤 ； 设置在上述光纤的芯上的第 1 光纤布拉格光栅传感器 及与上述第 1 光纤布拉格光栅传感器间隔设置的第 2 光纤布拉格光栅传感器。
4、 ； 设置在上述 第 2 光纤布拉格光栅传感器周围具有放射线屏蔽半值层厚度 (B) 的中空型放射线屏蔽构 件 ； 其中， 将上述第 1 光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量与被上述中空型放射线屏蔽 构件包围的第 2 光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量值比较， 从而可以对温度和放射线 量进行测定。 2. 如权利要求 1 所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的 装置， 其特征在于 ： 上述中空型放射线屏蔽构件由钨或者铅构成。 3. 如权利要求 2 所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的 装置， 其特征在于 ： 上述放射线量的测定是将上述第1光纤布拉格光栅传感器。
5、测定的波长位移量与第2光 纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量差值乘以 2 求出总放射线量， 上述温度的测定是从 上述第 1 光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量减去因上述总放射线量所导致的波长 位移量从而求出因温度所导致的波长位移量。 4. 如权利要求 2 所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的 装置， 其特征在于 ： 在上述中空型放射线屏蔽构件内侧还设置有能支撑上述光纤的支撑构件。 5. 如权利要求 2 所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的 装置， 其特征在于 ： 上述中空型放射线屏蔽构件以光纤布拉格光栅长度 (L) 的 1.5 至 3 倍长度包围上。
6、述第 2 光纤布拉格光栅传感器。 6. 如权利要求 2 所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的 装置， 其特征在于 ： 上述中空型放射线屏蔽构件的内侧直径为光纤布拉格光栅直径 (D) 的 1.1 至 3 倍。 7. 一种利用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线量的方法， 即对于利用权利要求 1 至 6 中的任意一项所述的装置测定温度和放射线量的方法来说， 其特征在于， 包括 ： 从上述第1光纤布拉格光栅传感器及第2光纤布拉格光栅传感器测定波长位移量的S1 步骤 ； 计算出第 1 光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量与第 2 光纤布拉格光栅传感器 测定的波长位移量差值的 S2。
7、 步骤 ； 将与上述 S2 步骤中计算的波长位移量差值相等的放射 线量乘以2求出总放射线量的S3步骤 ； 从第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量减 去因在 S3 步骤中求出的总放射线量所导致的波长位移量从而计算出因温度所导致的波长 位移量的S4步骤 ； 通过上述S4步骤中求出的因温度所导致的波长位移量求出温度的S5步 骤。 权 利 要 求 书 CN 103808428 A 2 1/5 页 3 用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种利用光纤布拉格光栅(fiber bragg grating， FGB)传感器来同时 测定温度和放射线量的装置及方法。
8、。具体地说， 就是涉及一种使用两个光纤布拉格光栅传 感器， 在一个传感器上罩上中空型放射线屏蔽构件以通过两个传感器将放射线量和温度值 分离从而可以进行准确测定的技术。 背景技术 0002 福岛发生核事故时， 由于初期应对措施的不足， 导致事故处理延迟， 直到 1 年后的 今天仍然没有很好地解决。 这是由于传感器设在事故现场， 从而向测定温度、 放射线量的传 感器供给的电源被切断， 传感器丧失了功能， 由此导致事故现场的信息不能向外界传递。 0003 作为解决上述问题的有力对策， 可选用驱动时无需电源并可以在远距离测定远程 环境的光纤传感器。光纤布拉格光栅温度传感器在数公里以外的地方， 即使不向。
9、传感器供 给电源， 也能够通过测定光纤布拉格光栅反射的波长的位移从而精确测定所设置的环境温 度。但是， 上述波长的变化不仅受温度影响， 而且也受放射线的影响。因此， 使用一个光纤 布拉格光栅传感器作为测定放射线环境的温度的传感器， 存在一定的技术局限。 发明内容 0004 技术问题 0005 本发明就是为解决上述问题而研发的， 本发明的目的在于， 解决以下课题 ： 0006 第一， 在放射线照射的环境下， 用于温度测量的线性频率位移量和放射线辐射量 同时具有线性特性， 因此， 提供一种将两个值区分来进行传感的装置及方法。 0007 第二， 提供一种使用两个光纤布拉格光栅传感器， 在一个传感器上。
10、罩上中空型放 射线屏蔽构件以通过两个传感器将放射线量与温度值分离从而可以准确测定的新型装置 及方法。 0008 本发明所要解决的课题并不仅局限于以上提到的内容， 未提到的其它课题， 本领 域技术人员通过下面的说明就会有明确的了解。 0009 技术方案 0010 为了实现上述目的， 本发明提供一种将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放 射线量传感器的装置， 其包括 ： 曝露于放射线下的光纤 ； 设置在上述光纤的芯上的第 1 光纤 布拉格光栅传感器和与上述第1光纤布拉格光栅传感器间隔设置的第2光纤布拉格光栅传 感器 ； 以及设置在上述第 2 光纤布拉格光栅传感器周围具有放射线屏蔽半值层厚度 (B)。
11、 的 中空型放射线屏蔽构件。其中， 将上述第 1 光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量与被上 述中空型放射线屏蔽构件包围的第 2 光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量值比较， 从而 可以对温度和放射线量进行测定。 0011 另外， 利用上述装置的测定温度和放射线量的方法中， 提供的利用光纤布拉格光 栅传感器测定温度和放射线量的方法， 其包括 ： 从上述第1光纤布拉格光栅传感器及第2光 说 明 书 CN 103808428 A 3 2/5 页 4 纤布拉格光栅传感器测定波长位移量的S1步骤 ； 计算出从第1光纤布拉格光栅传感器测定 的波长位移量与从第2光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量差值的S2步。
12、骤 ； 将与上述 S2步骤中计算的波长位移量差值相等的放射线量乘以2求出总放射线量的S3步骤 ； 从第1 光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量减去因在 S3 步骤中求出的总放射线量所导致的 波长位移量从而计算出因温度所导致的波长位移量的 S4 步骤 ； 以及通过上述 S4 步骤中求 出的因温度所导致的波长位移量求出温度的 S5 步骤。 0012 有益效果 0013 依据本发明的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置 及方法， 当发生核事故时可以对核电站内部区域的温度分布进行实时测定， 当发生放射线 泄漏时可以对放射线量及泄漏位置进行测定。 因此， 通过测定温度和放射线量， 可。
13、以诊断核 电站内部的状态， 迅速查明事故原因， 防止事故扩大。 0014 另外， 在处于正常状态的核电站或是在产生放射线的设施等， 可适用为对其温度 和放射线量信息同时进行测定的常用传感器系统， 并且可实现商用化。 同时， 当发生核电事 故时， 本发明还可用作通过一个光纤线路同时远程测定掌握事故环境内部信息的决定性因 素， 即， 温度和放射线辐射量的传感器系统， 从而发挥重要的功能。 特别是， 即使是在电源缺 失的状态下， 也能够在离事故现场数公里以外的地方进行远程测定。 因此， 可以为事故处理 提供重要信息， 发挥其核心作用。 0015 本发明的效果并非仅局限于上面提到的部分， 未提到的其它。
14、效果， 本领域技术人 员通过下面的说明会有明确的了解。 附图说明 0016 图 1 是依据本发明的光纤布拉格光栅的概念图。 0017 图 2 是依据本发明一个实施例的光纤布拉格光栅传感器的构成图。 0018 图 3 是罩有中空型放射线屏蔽构件的光纤布拉格光栅传感器剖面图。 0019 图 4 是在中空型放射线屏蔽构件上设置支撑构件并显示其与光纤的连接关系的 剖面图。 0020 附图编号说明 0021 100 ： 光纤 0022 101 ： 芯 0023 102 ： 覆层 0024 103 ： 护套 0025 104 ： 光栅 0026 110 ： 第 1 光纤布拉格光栅传感器 0027 111 。
15、： 第 2 光纤布拉格光栅传感器 0028 120 ： 放射线屏蔽构件 0029 121 ： 支撑构件 具体实施方式 0030 下面， 将参照附图对将本发明的光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量 说 明 书 CN 103808428 A 4 3/5 页 5 传感器的装置及其方法的优选实施例进行详细说明。首先， 要注意的是关于为各附图中的 构成要素附加的附图编号， 相同的构成要素即使显示在不同的附图中也尽量使用了相同的 附图编号。 另外， 在对本发明进行说明时， 如果认为相关的公知构成或功能的详细说明与本 发明的主旨无关， 就省略详细说明。 0031 光纤内光的传播原理是全反射原理， 即当。
16、光从折射率高的物质向折射率低的物质 传播时， 距其界面一定角度范围内的光全部被反射。 另外， 向光纤芯入射的光在折射率高的 芯层与折射率低的覆层的界面被反射后沿光纤芯部分传播。 这种光纤的主要成份是二氧化 硅玻璃， 其构造由为提高折射率而添加锗的光纤中心， 即， 芯部分和对中心进行保护的包层 即覆层部分构成。 0032 光纤布拉格光栅排列型传感器是一种利用在一根光纤上按一定长度镂刻多个光 纤布拉格光栅后， 随温度或强度等外部条件变化各个光栅反射的光的波长也随之发生变化 这一特性的传感器。一般情况下， 为了使光纤芯比覆层折射率高而普遍添加锗 (Ge) 物质， 在使这种物质附着于二氧化硅玻璃上的过。
17、程中， 可能会发生结构上的缺陷 (defect)。在这 种情况下， 如果用较强的紫外线照射光纤芯， 锗的结合构造就会变形， 同时光纤的折射率也 会发生变化。光纤布拉格光栅就是利用这种现象使光纤芯的折射率周期性地发生变化。这 种光栅只反射满足布拉格条件的波长， 除此之外的波长会原样透过。如果光栅周边温度发 生变化或者光栅被拉伸， 光纤的折射率或者长度就会发生变化。因此， 它反射的光的波长 也会发生变化。 所以， 通过测定光纤布拉格光栅反射的光的波长就可以检测温度或拉伸、 压 力、 弯曲等。 0033 光纤布拉格光栅排列型传感器在一根光纤上使用多个光栅， 这种情况下， 使各个 光栅的反射波长都不相。
18、同， 从而就很容易通过反射光的光谱区分特定光栅经历的物理量。 这种方法被称为波长分割方式， 这种方法通过光源的限定线宽能够同时测定的光栅个数受 到一定的制约。作为增加可测定的光栅个数的方法， 也可以采用将波长分割方式和时间分 割方式并行的方法。 0034 布拉格光栅传感器阵列的最大应用之一就是诊断构造物状态的智能结构 （smart structure） 。 在修建桥梁、 堤坝、 建筑物等工程时， 通过在混凝土内部铺设光纤光栅阵列， 检 测构造物内部的拉伸分布或者弯曲程度等可以诊断构造物的安全状态。另外， 还可应用于 诊断航空器或者直升飞机等的机翼状态。 0035 如图1所示， 一般情况下， 光。
19、纤布拉格光栅以芯101为中心设置覆层102， 在形成的 覆层 102 外面再设置护套 103。当芯 101 曝露于紫外线下时， 为提高折射率而形成利用锗 (Ge) 等的光栅 104。因此， 向芯 101 入射的入射波 (I) 通过光栅 104 按不同的折射率进行 过滤并被反射。所以， 将放射线照射前和照射后的光纤布拉格光栅反射的反射波 (R) 的光 功率 （optical power） 进行比较， 就可以测定随着放射线照射量的光纤的放射线输入损失。 同时， 还可以构建能够随着光纤的输入损失大小测定放射线量的放射线测定传感器。这种 传感器不会产生由电磁波等引发的噪音， 同时还可以测定光纤的输入损。
20、失和与之相关的放 射线量。 0036 图 2 是依据本发明一个实施例的光纤布拉格光栅传感器的构成图。 0037 在光纤100的芯101上设置有第1光纤布拉格光栅传感器110， 保持一定的间隔再 设置第 2 光纤布拉格光栅传感器 111。通常情况下， 上述间隔一般为 20cm 至 30cm。上述第 说 明 书 CN 103808428 A 5 4/5 页 6 2 光纤布拉格光栅传感器 111 被中空型放射线屏蔽构件 120 包围。光纤布拉格光栅传感器 随着温度的变化和放射线量辐射量分别显示出线性输出波长的位移特性。所以， 如果将上 述两个光纤布拉格光栅传感器测定的两个测定量进行区分， 就可以只使。
21、用一根光纤 100 同 时对温度和放射线量进行测定。 0038 在曝露于放射线下的一根光纤 100 上靠近设置第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 和 第 2 光纤布拉格光栅传感器 111。此时， 在第 2 光纤布拉格光栅传感器 111 周围设置中空 型放射线屏蔽构件 120。上述放射线屏蔽构件 120 必须具有测定环境中占优势 (dominant) 放射线屏蔽半值层厚度。 0039 由于已经通过实验求出了具有代表性物质的半值层厚度与 线能量间的关系。 因此， 本发明中可以利用上述结果求出放射线量。放射线屏蔽构件 120 一般由钨或者铅材 质构成， 但是也可以使用半值层厚度与 线能量间关系已公。
22、知的任何材质。 0040 图 3 是罩有中空型放射线屏蔽构件的光纤布拉格光栅传感器剖面图。作为光纤布 拉格光栅传感器周围被中空型放射线屏蔽构件 120 包围的结构， 通过支撑构件 121 设置上 述放射线屏蔽构件 120。设置放射线屏蔽构件 120 时与光纤布拉格光栅传感器之间保留一 定的空间， 这主要是为了能够更加准确地测定放射线量而为光纤布拉格光栅传感器营造与 外部环境相同的条件。图 4 中显示了支撑构件 121 与光纤 100 结合的过程， 上述支撑构件 121 可以只设置在放射线屏蔽构件 120 的入口部分与出口部分， 而为了确保支撑更加稳固， 也可以在内侧一个以上的空间内设置。图 4。
23、 中显示了在入口部分利用 3 个支撑构件 121 与 光纤 100 结合的实施例。但并没有限定支撑构件 121 的数量， 只要外部条件与放射线屏蔽 构件 120 的内部条件相同， 就可以自由使用。 0041 光纤布拉格光栅传感器的长度 L 通常在 10mm 至 20mm， 如图 3 所示， 放射线屏蔽构 件 120 的长度最好达到能够充分包围光纤布拉格光栅传感器的程度即 “1.5 光纤布拉格 光栅传感器的长度 L” 至 “3 光纤布拉格光栅传感器的长度 L” 。当放射线屏蔽构件 120 的 长度小于 1.5L 时， 光纤布拉格光栅传感器被辐射的放射线量就会产生误差， 当大于 3L 时， 就会因。
24、放射线屏蔽构件 120 的重量而导致光纤 100 线路负荷过重。 0042 另外， 优选地， 放射线屏蔽构件120的厚度(B)必须达到测定环境中占优势的放射 线屏蔽半值层厚度， 放射线屏蔽构件 120 的内侧直径达到光纤直径 D 的 1.1D 至 3D 左 右。 0043 根据图 2 所示的结构， 在第 2 光纤布拉格光栅传感器 111 测定的放射线量是第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 测定的放射线量值的一半。因此， 第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 和第 2 光纤布拉格光栅传感器 111 测定的波长位移量的差值 (P= 第 1 光纤布拉格光栅 传感器 110 测定的波长位移量 - 第。
25、 2 光纤布拉格光栅传感器 111 测定的波长位移量 ) 是在 设置上述构成的环境中被辐射放射线量的一半。由此， 可以直接求出总体放射线辐射量是 由与 2P 波长位移量相等的放射线量值求出 ( 在这种情况下， 由于两个传感器特性类似， 因此假设因温度所导致的波长位移量相同 )。 0044 然后， 从第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 的波长位移量除去根据总放射线量的波 长位移量 (2P)， 其值就是因温度所导致的波长位移量， 从而可以对温度和放射线量进行 独立测定。 0045 下面， 将对依据本发明的利用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线量的方法 说 明 书 CN 103808428 A 。
26、6 5/5 页 7 进行说明。 0046 首先， 第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 及被中空型放射线屏蔽构件 120 包围的第 2 光纤布拉格光栅传感器 111 测定波长位移量的 S1 步骤。 0047 然后， 计算出在第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 测定的波长位移量与在第 2 光纤 布拉格光栅传感器 111 测定的波长位移量差值 (P) 的 S2 步骤。 0048 然后， 将与 S2 步骤中计算的波长位移量差值 (P) 相等的放射线量乘以 2 求出总放 射线量的 S3 步骤。 0049 然后， 从第 1 光纤布拉格光栅传感器 110 测定的波长位移量减去因在 S3 步骤中求 出的总。
27、放射线量所导致的波长位移量 (2P) 从而计算出因温度所导致的波长位移量的 S4 步骤。 0050 最后， 通过上述S4步骤中求出的因温度所导致的波长位移量求出温度的S5步骤， 从而计算出温度和放射线量。 0051 在上述说明中， 仅对本发明的技术思想进行了示例说明。 通过上述的说明， 本领域 技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内， 进行多样的修改以及变形。以上实 施例是为了对本发明进行更好地说明， 并不限定本发明的技术思想。 因此， 本项发明的技术 性范围并不局限于说明书的内容， 必须要根据权利要求来确定其技术范围。与其同等范围 内的所有技术思想均包含在本发明的权利范围内。 说 明 书 CN 103808428 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103808428 A 8 。