电离辐射的当量剂量国际单位：光纤辐射剂量计

安德烈 丹尼尔 弗拉维奥· 埃斯波西托.拉杰夫· 兰詹.斯特凡 阿戈斯蒂诺

1 摘要

通过研究伽马辐射对两种新型LPG传感器的影响（i）它们在辐射环境中作为温度传感器使用，如果它们能够存活到伽马射线暴露（ii）它们在辐射剂量测定中的应用，如果它们表现出显着的降解伽玛暴露后。通过这种方式，我们正在开发一个关于伽马射线下LPG行为的数据库。

2 研究材料

本研究选择的光纤，Fiber-A和Fiber-B，购自同一制造商，被宣布为单模光纤，波长高于1250 nm，包层直径为125μm，数值孔径为0.12并且是聚酰亚胺涂层的。对于Fiber-A，1550 nm处的衰减低于0.6 dB / km，而Fiber-B的衰减<0.8 dB / km。在Fiber-A的情况下，核心部件是掺杂的二氧化硅，而包层由纯二氧化硅制成。而在Fiber-B中，核心由纯二氧化硅制成，并且包层掺杂有氟。最后，建议它们的制造商分别适用于恶劣环境（Fiber-A）和辐射硬化（Fiber-B）。

Fiber-A LPG和Fiber-B LPG的透射光谱分别如图 所示。它们通过使用OSA模型Yokogawa AQ6370B（分辨率设定为0.1nm）获得，照射由涉及光谱范围1100-1700nm中的若干SLED 的宽带光源提供。在我们的分析中，对于Fiber-A，我们将注意力集中在位于1568 nm处的波段（由于与LP 04 耦合），而对于Fiber-B，我们认为波段位于1560 nm附近（对应于LP 03 ）。在同一图中，数值光谱还报道用虚线，通过使用所获得耦合模理论（CMT）模型[ 32，33]。可以观察到模拟和测量数据之间的良好一致性。

3 研究方法

辐照实验分两次进行。纤维-A LPG照射至总剂量为26.6kGy，而Fiber-B LPG累积剂量为29.6kGy。重要的是要强调在两种情况下剂量率相同并且等于0.2kGy / h。

将每个LPG固定在塑料框架中（如图所示），并在照射过程中将它们引入隔热箱中。塑料框架固定产生LPG的光纤部分，并且在传感器前面具有孔，使其可能暴露于局部温度变化。同时，该框架有助于在从实验室到辐射部位的运输过程中保持LPG免受额外的压力，并在辐照测试期间保持其应变状态冻结。由于传感器对温度具有敏感性，因此通过使用两个J型热电偶，特别注意获取伽马曝光期间温度变化的实时信息。（0.1°C分辨率）放置在盒子外面和传感器附近的盒子里。在整个实验期间，通过NI-cRIO 9211数据记录器收集温度数据，并且稍后使用所获取的值来校正传感器响应。在这些实验条件下，通过避免可能由温度或机械应力引起的任何波长漂移，我们确信观察到的波长深度变化仅由暴露于伽马射线产生。

实时调查设置如图3所示。所述数据采集设备被放置在迷宫状外屏蔽的结构，而被照射样品放置到伽马源附近的绝热箱。将测量设备放置在距离辐射源 20米的安全距离处。电连接电缆和连接光纤用于耦合两个实验部件。连接光纤由铅砖屏蔽，以防止辐射引起的光传输劣化。

LPG的实时监测是通过使用SM125 Micron Optics 读写器获取第2.1节中提到的衰减频带的波长偏移来完成的，该探测器工作波长范围为1525-1590 nm，分辨率为1 pm，采集时间为10 s 时间。通过在装置内引入光学循环器，LPG以传输模式连接到仪器。

4 实验结果

4.1 光谱表征和分析

照射后波长偏移和折射率变化

4.2 实时结果

从图4（a）可以观察到，对于Fiber-A LPG，波长偏移随累积剂量增加至约4kGy，相当于连续照射20小时。的插图图4 （a）示出了传感器响应与吸收剂量，期间的前十个小时的连续辐射用作获得。该响应在该区域表现出线性行为，辐射灵敏度为1.2nm / kGy。错误栏也会报告图4 （a），考虑：（i）与询问器分辨率相关的测量误差（下午1点），以及（ii）不完美温度补偿的影响（温度变化在1°C内测量），可能导致±10 pm的波长检测误差。因此，如果用作剂量计，该LPG允许剂量估计，在所考虑的剂量范围内具有±25Gy（在3σ）的误差。

远离线性区域，在辐射中断期间可以注意到小的恢复效应，以及在从实验开始约50小时后，即在暴露于约10kGy的剂量之后的饱和行为。

Fiber-B LPG的响应报告在图4 （b）中，尽管共振波长（~0.2nm）有一些小的变化，但它清楚地表明了抗辐射行为。因此，有理由相信即使纤维被宣布为抗辐射或适用于恶劣环境，开发辐射硬化纤维传感器的最佳解决方案必须基于纯二氧化硅芯纤维。

无论如何，由于LPG在Fiber-A中表现出的辐射灵敏度并不是微不足道的，所取得的结果可能会开发出剂量计，直至总剂量约为4kGy。为此目的，需要进一步的工作来研究LPG响应对剂量率和辐照后恢复效果的依赖性。但是，这些主题超出了本文的范围。根据我们的知识，已发表的文献中缺少这些方面，因为对液化石油气的辐射影响的研究刚刚开始，比较大量有关FBG的出版物。

4.3 温度灵敏度变化

上图显示了在照射之前和之后测量的纤维-A LPG 的LP 04带的温度引起的波长偏移的变化。可以注意到，在所研究的范围内响应是线性的，并且只能观察到关于曲线斜率（即温度灵敏度）的微小变化，从48.9 pm /°C到49.3 pm /°C之后。照射。从数值模拟中，这种变化可以与核心热光系数的变化相关联一个CØ低于10 -8 /°C（纯二氧化硅区域α= 7.80∙10 -6 /°C [ 21 ]）。这个结果也与我们之前关于用Ge掺杂和标准单模光纤写的LPG的报告一致[ 26 ]。最后，为了完整起见，我们报告了Fiber-B LPG热敏感度为22.8 pm /°C。

5 结论

即使纤维被宣布为抗辐射或适用于恶劣环境，开发辐射硬化纤维传感器的最佳解决方案是纯二氧化硅芯纤维。考虑到Fiber-B的辐射灵敏度几乎可以忽略不计，当LPG 在无应变条件下运行时，它可以作为纯温度传感器运行。