基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统及方法，涉及放射性测量技术领域，其可至少部分解决现有技术中难以长期实时的监测地面或海底或海面或井下放射性的问题，本发明专利技术实施例的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，包括具有分布式光纤放射性(DRS)传感端口的复合调制解调仪器，以及若干呈三维网状覆盖在监测目标区域或直接布设于监测目标区域内的放射性测量或监测铠装光缆，放射性测量或监测铠装光缆包括用于实时向复合调制解调仪器传递放射性(DRS)传感信号的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤，复合调制解调仪器的分布式光纤放射性(DRS)传感端口与放射性测量或监测铠装光缆的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤相连接。光栅光纤相连接。光栅光纤相连接。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统及方法


[0001]本专利技术属于放射性测量
，具体涉及基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统及方法。

技术介绍

[0002]自然界能产生放射性的核素已发现230多种，其中80多种经过一次衰变就成为稳定的核素，称为单衰变。还有50多种原子序数高于80的放射性同位素，是由几个长寿元素衰变产生的。这些长寿元素经过一次衰变后，形成的产物仍然是放射性元素，再继续发生衰变，如此一代一代衰变下去，直到成为一个稳定的核素为止。通常把衰变起始的那个元素称为母元素，其衰变产物称为子元素。由母元素和子元素组成一个族，叫做放射性系列。已知有3个天然放射性系列，即铀系(或称铀
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镭系)、钍系和锕系，它们的衰变如图1所示。还有一个用人工方法得到的镎系。每个天然放射系列中都有一个气态元素(An、Tn、Rn)，是氡的同位素，通常称之为射气，都能逸散，其中以Rn的半衰期最长，故可扩散得较远。因此作放射性测量可以发现由放射性元素组成的矿床。
[0003]放射性勘探又称放射性测量或“伽玛法”。借助于地壳内天然放射性元素衰变放出的α、β、γ射线，穿过物质时，将产生游离、荧光等特殊的物理现象，人们根据放射性射线的物理性质利用专门仪器(如辐射仪、射气仪等)，通过测量放射性元素的射线强度或射气浓度来寻找放射性矿床以及解决有关地质问题的一种物探方法。也是寻找与放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金属元素矿床的辅助手段。放射性物探方法有γ测量、辐射取样、γ测井、射气测量、径迹测量和物理分析等。放射性勘探方法是探测地表岩土天然放射性异常的分布，研究确定地质构造的工程地球物理勘探方法。工程地球物理勘探(简称工程物探)中的天然放射性异常，是指自然条件下存在于岩层断裂破碎带或岩溶发育带、不同岩性的岩层或地下水露头附近的放射性元素形成的放射性异常。通过地面放射性勘探发现这种异常，再结合有关地质资料进行综合分析，作出定性的地质推断。
[0004]光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及放射性等物理量都实现了不同性能的传感。
[0005]光纤被广泛用作放射性传感器和剂量计。得益于快速增长的光纤制造和材料工程，先进的光纤通过使用功能结构和材料取得了显着发展，提高了其作为放射性传感器的检测精度和使用场景。目前基于光纤的放射性传感器有外征和本征光纤放射性传感器，包括辐射诱导衰减(RIA)、辐射诱导发光(RIL)和光纤光栅波长偏移(RI
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GWS)。根据放射性特性对相关的先进纤维材料和结构的分类包括石英玻璃、掺杂石英玻璃、聚合物、荧光和闪烁体材料。
[0006]光纤放射性传感器按其工作原理可分为本征传感器和外征传感器两大类。在本征
光纤放射性传感器的传感过程中，光纤本身充当直接与放射性反应的敏感元件。光纤传感器产生的信号表示光纤上的变化，例如结构损伤和布拉格波长漂移，这是材料放射性辐射的结果。对于外征光纤放射性传感器，光纤不直接响应放射性，而是作为连接传感器单元和信号处理端的传输通道。目前，常用的本征光纤放射性传感器包括损伤、光纤布拉格光栅(FBG)、光纤长周期光栅(LPG)和闪烁传感器，而外征传感器主要基于闪烁工作。
[0007]基于光纤的放射性传感器在用于放射性传感时由于其材料和结构特性而显示出一些独特的优势。首先，光纤传感器体积小，重量轻，感应距离长，弯曲灵活。常用光纤的直径为125μm，先进的多材料多功能光纤的直径为几百微米，使得整个基于光纤的传感器占用的直径小于1mm。此外，纤维具有柔韧性和可弯曲性，非常适合附着在曲面上。因此，光纤传感器可以插入狭窄、弯曲和复杂的环境中，例如飞机内部或人体，适用于放射性传感和监测。此外，与传统的集成传感器相比，光纤衍生传感器提供更广泛的监控范围。传统的集成传感器很难通过逐点检测来监测大面积区域，但对于分布在千米以上很远距离的光纤传感器，使用光时域反射仪(OTDR)技术可以沿光纤的每个点进行感测。其次，随着光纤制造技术和相关材料工程的蓬勃发展，光纤已经从基于石英玻璃的包芯结构发展到具有多种材料的复合结构，包括半导体，金属，掺杂石英玻璃，氧化物玻璃，硫属化物玻璃和功能聚合物，丰富的材料和结构为光纤提供了一条新的发展道路，以满足辐射传感器的需求。越来越多的传感材料被直接拉成光纤形状，进一步提高了传感的精度和长度范围。此外，光纤传感器由于采用包芯涂层结构，在大多数环境条件下具有防潮、耐腐蚀和抗电磁干扰的特点。大多数光纤具有纤芯包层结构，此外，可以涂有保护性聚合物层，以避免其功能性芯与水接触，从而使光纤防水。玻璃和涂层聚合物材料即使在高腐蚀性环境中也表现出优异的化学稳定性，增强了光纤传感器的环境适应性。同时，光纤传感器不易受到外界电磁场的干扰，因为常用的光纤材料是非导电的，可以进一步提高传感的信心。
[0008]此外还出现了光纤布喇格光栅(FBG)传感器等为代表的准分布式光纤传感器，然而光纤布喇格光栅传感器的测点会受到激光带宽的限制。如今，分布式光纤传感技术日渐成熟，基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器在放射性测量方面具备好的精度、线性度及重复性，可已经具备了在诸多领域可取代传统放射性测量技术和光纤布喇格光栅传感器的潜力。分布式光纤传感器具备测点密度极高，间距可控，质量小，耐腐蚀，电绝缘，精度高，重复性好的特点。此外，基于其质地较柔软坚韧的特性，它对结构表面的形状有较好的适应性。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的是提出的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，是把分布式放射性传感光纤或高密度阵列放射性传感光栅光纤组成的放射性传感监测光缆布设在地面以下或海底以下，或呈三维网状的拖曳在海面，或布设在裸眼井下，或布设在套管井的套管内/外，并与复合调制解调仪器相连接，组成一个基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，长期实时测量和监测地面或海底或海面或井下，为测量和监测地面以下、海底以下、海面以下和井下的放射性分布与变化提供不可缺少的手段、系统和方法。
[0010]为实现上述目的，本专利技术的具体技术方案为：
[0011]本专利技术提出的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，包括具有分布
式光纤放射性(DRS)传感端口的复合调制解调仪器，以及若干呈三维网状覆盖在测量或监测目标区域或直接布设于测量或监测目标区域内的放射性测量或监测铠装光缆，放射性测量或监测铠装光缆包括用于实时向复合调制解调仪器传递放射性(DRS)传感信号的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤，复合调制解调仪器的分布式光纤放射性(DRS)传感端口与放射性测量或监测铠装光缆的分布式放射性传感光纤或阵列放射性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，包括具有分布式光纤放射性传感端口的复合调制解调仪器(4)，以及若干呈三维网状覆盖在测量或监测目标区域或直接布设于测量或监测目标区域内的放射性测量或监测铠装光缆(5)，放射性测量或监测铠装光缆(5)包括用于实时向复合调制解调仪器(4)传递放射性传感信号的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤(20)，复合调制解调仪器(4)的分布式光纤放射性传感端口与放射性测量或监测铠装光缆(5)的分布式放射性传感光纤或阵列放射性传感光栅光纤(20)相连接。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，所述复合调制解调仪器(4)具有分布式光纤温度传感端口，所述放射性测量或监测铠装光缆(5)包括两根用于测量其沿线温度变化的多模光纤(52)，两根多模光纤(52)的尾端熔接成U字型结构，复合调制解调仪器(4)的两个分布式光纤温度传感端口与放射性测量或监测铠装光缆(5)内的两根多模光纤(52)相连接。3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，所述放射性测量或监测铠装光缆(5)的分布式放射性传感光纤包括弯曲不敏感的特种放射性敏感光纤(51)，所述特种放射性敏感光纤(51)包括基于放射性诱导衰减的光纤放射性剂量计或者基于放射性诱导发光的典型光纤放射性剂量计。4.根据权利要求2所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，所述放射性测量或监测铠装光缆(5)的放射性传感阵列光栅光纤(20)包括包层(21)、纤芯(22)，刻写在纤芯(22)上的高密度阵列光栅(23)，高密度阵列光栅(23)的刻写密度在1米到10米之间；所述阵列放射性传感光栅光纤(20)包括光纤布拉格光栅光纤或光纤长周期连续光栅光纤。5.根据权利要求3或4所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，所述放射性测量或监测铠装光缆(5)还包括连续不锈钢细管(54)，连续不锈钢细管(54)用于安置所述多模光纤(52)以及特种放射性敏感光纤(51)或阵列放射性传感光栅光纤(20)，放射性测量或监测铠装光缆(5)还包括用于将连续不锈钢细管(54)包裹安置在内的护套或者两层不锈钢铠装钢丝(55)。6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，所述测量或监测目标区域为位于地表或海底的三维测量或监测目标区域，若干放射性测量或监测铠装光缆(5)组成适应于三维测量或监测目标区域的三维放射性测量或监测网(1)，三维放射性测量或监测网(1)挖沟埋置于地表或海底的三维测量或监测目标区域，所述三维放射性测量或监测网(1)的形状包括矩形网格状或同心圆状中的任意一种。7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征在于，所述测量或监测目标区域为位于海面放射性数据采集船尾端的移动海面区域，若干放射性测量或监测铠装光缆(5)在5米到50米的等间距条件下拖曳在海面放射性数据采集船的尾端组成海面放射性测量或监测网(2)，且每条放射性测量或监测铠装光缆(5)上等间距的设置有用于保持海面放射性测量或监测网(2)在等深度的海面下采集放射性数据的浮标，每个浮标的顶部设置有用于在拖曳作业中对放射性测量或监测铠装光缆(5)进行实时定位和授时的GPS或北斗模块。8.根据权利要求7所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射性监测系统，其特征
在于，还包括用于保持海面放射性测量或监测网(2)撑开的固定撑开装置，固定撑开装置包括若干垂直于海面放射性测量或监测网(2)移动方向的横向支撑杆，在若干放射性测量或监测铠装光缆(5)的头部、中部以及尾部以均等间距固定横向支撑杆，以确保放射性测量或监测铠装光缆(5)之间的横向监测间距不变。9.根据权利要求1所述的基于分布式光纤或阵列光栅光纤的放射...

【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，张少华，苟量，夏淑君，王熙明，安树杰，吴俊军，冉曾令，陈沅忠，张仁志，
申请(专利权)人：中油奥博成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：