Page 28 - 网络电信2020年4月刊上

解 决 方 案

基于单模光纤的分布式辐射传感可行性研究

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吴江钏 ，马麟 ，涂峰 ，何祖源 1
1. 上海交通大学；2. 华南理工大学

摘要：为了提高辐射传感技术的探测精度、探测剂量范围以及监测点数量。研究了使用光时域反射
（OTDR）技术观测单模光纤的辐射致衰减（RIA）效应，从而实现分布式辐射传感应用的可行性。通过计算
OTDR曲线中光功率衰减斜率，建立了单模光纤RIA与辐射剂量的线性关系。通过采用具有合适 RIA 效应的单
模光纤，有望实现具有高空间分辨率的长距离分布式辐射剂量监测。
关键词：伽马辐射；光纤传感；单模光纤；光时域反射；辐射致衰减

一、前言
随着核工业、核电站、核废料处理设施以及高能加速器等 表 1 实验光纤的主要掺杂
现代核设施的迅速发展，对辐射剂量监测的需求正不断增大 [1-
3]
。但是由于辐射设施面积广、地形复杂，传统的辐射传感设备
无法很好的对其进行监测，因此对这些设施的辐射剂量监测以
[4]
及预测辐射设施中的设备寿命极具挑战 。
光纤传感技术具有尺寸小、重量轻和抗电磁干扰等优点，
并能实现长距离、高精度和高空间分辨率下温度和应变等物理
量的测量 [5,6] 。石英光纤在受到伽马射线辐射后，会导致其光信
号传输能力的下降，光纤的损耗值也显著增加，这种现象我们
称为辐射致衰减（RIA）效应，基于这一效应有望实现光纤的辐 纤的RIA特性，讨论不同掺杂光纤用于分布式辐射传感的可能
射传感应用。现有研究表明RIA是由于色心的形成导致的 [7,8] 。 性。本文采用表1所示的3种不同掺杂成分的光纤进行辐射传感
基于这一原理，德国学者H.Henschel开始了对磷掺杂渐变折 实验。实验采用上海市农业科学院的Co-60设施作为辐射源。
射率光纤的损耗与辐射剂量之间关系的研究，并提出了光纤作 辐射场地半径为5m，Co-60辐射源位于辐射场地中心，放射源
[9]
为辐射剂量计的可能性 。研究表明，由于光纤掺杂类型的不 升源高度为46cm，辐射期间平均温度为35℃，最大辐射强度为
同，光纤的RIA在相同剂量率、累积剂量以及监测波长下具有不 3.7×1015Bq。辐射总剂量以及剂量率的标定采用了得到中国国
同表现。在对磷掺杂光纤的辐射特性研究中发现，300Gy的剂量 家计量院认证的化学剂量法测定，标准偏差小于5%。
辐射下，被测光纤的RIA在辐射剂量率从1~6Gy/min范围内线性 本文采用OTDR（安利MT9082）连续测量辐射过程中光纤不
增加 [10] 。欧洲核子研究组织（CERN）使用多模光纤（j-fiber） 同位置RIA的变化情况。
开展的分布式辐射剂量测试研究结果表明，在400Gy辐射剂量、 为了在空间分辨率合适的情况下得到尽可能大的动态测量
830nm波长下实验光纤的最大RIA为6dB/m [11] 。 范围，实验选择脉冲宽度为10ns，空间分辨率为1m。OTDR的测
本文对比了相同辐射剂量水平和剂量率下不同单模光纤的 量在3个不同的波长下进行，分别为：
RIA，讨论了各类光纤用于分布式辐射传感的可能性。 λ 1 =1310nm,λ 2 =1550nm,λ 3 =1625nm。在实验中单次测量
1.实验准备 的最长时间少于2min，较短的测量时间间隔减少了辐射剂量不
为了研究具有相同辐射剂量水平和剂量率下的不同单模光 同带来的误差。同时考虑到信噪比的改善和合适的测量时间，

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