一种双芯复合材料光纤探头、制备方法，及基于该探头的双参量传感器

1.本发明涉及一种双芯复合材料光纤探头、制备方法，及基于该探头的双参量传感器，属于光纤辐射传感探测领域。


背景技术：

2.随着χ射线、γ射线以及高能粒子如热中子、α射线、β射线等被广泛应用，对辐射传感器及辐射环境下的多参量探测的需求越来越高。在众多辐射探测器中，闪烁光纤探测器由于其具有高探测效率、高辐照硬度、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，在工业应用和科研领域占有举足轻重的地位。闪烁光纤的纤芯材料是一种具有闪烁发光特点的材料，其能够吸收放射性射线及高能粒子的能量并将其转换为紫外或可见区域的光能。凭借其波导结构的优势，闪烁光纤具有以低传输损耗的方式将闪烁光子传输至安全地带的特性，其实现了辐射传感元件与电子元件的分离，从而很大程度上避免了电子元器件和操作人员因强电离辐射环境而受到的伤害。闪烁光纤探测器已被广泛应用在高能物理、影像医学、环境监测等领域。
3.然而，目前关于闪烁光纤探测器的研究报道主要是单参量传感器，应用场景有限，而且对多参量进行区分与定量分析也是一难题，这不利于全面且准确的掌握辐射环境内的情况。在实际放射性环境中往往需要对温度和辐射强度同步监测，如监测核反应堆，堆芯内温度变化时，中子能谱、微观截面等都将相应地发生变化，并且与反应有关的热中子利用系数、逃脱共振俘获概率等都是温度的函数。另外，放射性环境中的温度监测一般要求光纤能够承受较高的温度，这对于光纤材料的耐热提出了严苛的要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种双芯复合材料光纤探头、制备方法，及基于该探头的双参量传感器，可实现放射环境下辐射强度与温度的同步测量。
5.本发明旨在解决放射性环境中辐射强度与温度同步测量的难题，提供了一种双芯复合材料光纤探头结构、制备方法，及基于该探头的双参量传感器，属于光纤辐射传感探测领域。双芯复合材料光纤探头是一种特种闪烁光纤，其被拉制通过打孔法与棒管法(rit)相结合的新型光纤拉制方法，并且其光纤预制棒的纤芯材料由石榴石或钙钛矿结构的耐高温且光产额高的无机闪烁晶体组成。该探头的两纤芯受辐射激发后发出荧光。利用飞秒激光微加工等技术，使其中一个纤芯被刻写产生轴向一维周期性折射率调制结构，具备了光栅的特性，当外界环境温度发生变化时由于热光效应引起光纤中的模式有效折射率发生变化，由于热膨胀效应也会使得光栅的周期随之改变，导致光栅的布拉格波长发生漂移，被该光栅反射的辐射致发光的光谱也随之变化，从而利用刻写光栅的纤芯探测环境中的温度。另一个纤芯未经处理，其受辐射激发后产生的荧光强度与辐射剂量成正比，利用此纤芯可探测环境中的辐射强度。双芯复合材料光纤探头利用错位熔接技术在光纤两端熔接传输光
纤，该探头的两纤芯分别对接一个传输光纤的纤芯，两端的传输光纤分别将温度信号和辐射强度信号传递到相应的处理单元。双芯复合材料光纤探头利用特殊的拉制工艺、耐高温的纤芯材料及飞秒激光器微加工工艺的可实现高达1700℃的高温探测。该传感器基于空分复用技术、光栅刻写技术和新型拉制工艺有效解决了辐射强度与温度同步测量的难题。基于该探头的温度与辐射强度双参量传感器借助双芯复合材料光纤探头本身的优势，的提出了无需光源的温度传感系统。
6.本发明的技术方案为：
7.一种双芯复合材料光纤探头，包括玻璃套管、双孔玻璃管和两个光纤预制棒的纤芯；所述双孔玻璃管设置于玻璃套管内，光纤预制棒拉制成光纤后的两个纤芯分别用于探测温度和辐射剂量；
8.探测温度的纤芯通过飞秒激光直写法刻写光栅，探测辐射剂量的纤芯未经处理，通过其发射的荧光强度即可探测环境中的辐射剂量，探测温度的纤芯采用错位熔接的方式连接第一传输光纤，探测辐射剂量的纤芯采用错位熔接的方式连接第二传输光纤，分布在该探头的两端第一、第二传输光纤与探头的两纤芯一一对接，分别用来传输温度信号与辐射强度信号。
9.优选的，两个纤芯材为耐高温的石榴石或钙钛矿结构的无机闪烁晶体，如ce:yag、ce:lyso、ce:luag、ce:yap等无机闪烁晶体，其能够承受高达1700℃的高温。
10.一种基于该探头的双参量传感器，包括上述的双芯复合材料光纤探头，其中第一传输光纤连接光谱分析仪(osa)，第二传输光纤连接光电探测器(pd)和示波器(osc)，温度信号经第一传输光纤传输到光谱分析仪(osa)上，光谱分析仪(osa)对温度信号的光谱信息进行分析并获得波长漂移信息进而对环境中的温度进行标定；辐射强度信号经第二传输光纤传输到光电探测器(pd)上，光电探测器(pd)对其进行光电转换，随后将电信号传输到示波器(osc)上进行分析，通过分析电信号的强弱实现对辐射强度的探测。
11.一种上述的双芯复合材料光纤探头的制备方法，包括如下步骤：
12.(1)双芯复合材料光纤预制棒的制备：
13.采用打孔技术将玻璃棒处理成双孔玻璃管，随后将双孔玻璃管进行酸洗，脱氢基和烘干处理，将两个耐高温的无机闪烁晶体经酒精擦拭处理后分别插入到双孔玻璃管的两个孔内制备成初级预制棒；
14.为了方便进一步拉制，将初级预制棒插入到长10mm～5000mm的玻璃套管内制备成终极预制棒；
15.在此步骤中，无机闪烁晶体、双孔玻璃管、玻璃套管三者的长度可以相等也可以不等，三者的直径比决定了拉制后光纤的纤芯与包层的比值、芯间距等参数，进而影响光纤性能，无机闪烁晶体、双孔玻璃管、玻璃套管三者的直径比(尺寸)可根据实际需要设计成所需光纤尺寸。
16.(2)双芯复合材料光纤的制备：
17.采用棒管法(rit)利用光纤拉丝塔对终极预制棒进行拉制，首先将终极预制棒通过夹持系统夹持到光纤拉丝塔上，送料系统将光纤预制棒送入到石墨炉中，通过精准控制拉丝温度，送料速度、拉制速度、张力等参量，获得所需尺寸的光纤；
18.光纤拉丝塔拉丝温度，送料速度、拉制速度、张力等参量可以根据实际需要灵活设
置，如在拉丝温度2000℃、送料速度0.65mm/min、拉制速度9.45m/min，张力15g的条件下可获得了包层直径125μm，纤芯直径25μm，芯间距39μm的双芯复合材料光纤。
19.(3)双芯复合材料光纤光栅的刻写：
20.将制备的双芯复合材料光纤放置到飞秒激光直写法刻制光栅的设备上，并通过精密位移平台来移动光纤，同时对飞秒激光脉冲、激光快门进行同步控制，在双芯复合材料光纤内的一个纤芯上灵活写制一系列周期性的折射率调制点或线，从而形成光栅；
21.(4)传输光纤与双芯复合材料光纤探头的错位熔接：
22.将第一传输光纤和双芯复合材料光纤探头放置在光纤熔接机上，在纤芯与第一传输光纤的纤芯对准的熔接模式下，调节熔接机的放电时间、预熔时间、放电功率、芯间距等参数，将第一传输光纤与该探头的纤芯进行错位熔接，重复上述步骤，在该探头纤芯与第二传输光纤的纤芯对准的熔接模式下，将第二传输光纤与探头的纤芯进行错位熔接。
23.优选的，双芯复合材料光纤的纤芯尺寸小于等于第一传输光纤和第二传输光纤的纤芯，以确保较低的熔接损耗。
24.优选的，双芯复合材料光纤的两纤芯为同轴或非同轴，异质或非异质。
25.优选的，双芯复合材料光纤探头的长度与芯间距(芯间距为两个纤芯中心的间距)可以根据探测环境需要与该探头的传输损耗进行改变，光纤传输损耗允许的情况下，光纤的长度越大，探测范围越广。
26.优选的，双芯复合材料光纤探头的尺寸优选为外径125μm，刻有光栅的纤芯的芯径50μm，另一纤芯芯径30μm，芯间距为15μm；第一传输光纤和第二传输光纤的尺寸为外径125μm，内径50μm，采用在光纤探头发光波段损耗低的无机传输光纤。
27.优选的，所刻写的光栅的中心反射波长与该探头辐射致发光的荧光光谱中心波长相吻合。
28.优选的，光电探测器(pd)具有较高的灵敏度，且其最优探测范围为该探头的发光波段。
29.进一步优选的，双芯复合材料光纤探头的尺寸不局限于外径30～800μm，刻有光栅的纤芯的芯径5～300μm，另一纤芯芯径5～300μm，芯间距为5～300μm；第一传输光纤和第二传输光纤的尺寸为外径30～800μm，内径10～700μm。
30.进一步优选的，第一传输光纤后的温度信号处理单元不限于光谱分析仪(osa)，也可以为其他处理单元。第二传输光纤后的辐射强度信号处理单元不限于光电探测器(pd)和示波器(osc)，也可以为其他处理单元。
31.本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
32.本发明的有益效果为：
33.1、本发明所述的基于双芯复合材料光纤探头的温度与辐射强度双参量传感器，运用空分复用技术(空分复用技术即双芯结构,双芯结构为空分复用的一种体现)、光纤光栅技术的思路，采用特制的双芯复合材料光纤作为探头，该双芯光纤是由刻有光栅的纤芯与未刻光栅的纤芯组成的，分别负责温度传感和辐射监测。通过对该双芯光纤的两纤芯中传输的信号进行同步测量，即可实现对温度与辐射强度双参量的同步传感。
34.2、本发明所述的双芯复合材料光纤探头，利用耐高温、光产额高的无机闪烁晶体作为其光纤预制棒的纤芯材料，其被拉制通过打孔法与棒管法(rit)相结合的新型光纤拉
制方法，其可以承受高达1700℃的高温，有效解决了传统光纤传感器耐热性差的难题。
35.3、本发明所述的基于双芯复合材料光纤探头的温度与辐射强度双参量传感器，利用辐射敏感材料的闪烁体制成光纤纤芯，其在各种电离辐射如χ射线、γ射线以及高能粒子如热中子、α射线、β射线等的辐照下能够发出紫外或者可见区域的荧光。借助该双芯复合材料光纤探头本身的优势，提出了无需光源的温度传感系统。
36.4、本发明所述的基于双芯复合材料光纤探头的温度与辐射强度双参量传感器，利用光纤波导的优势，采用特制的光纤探头与错位熔接技术，将光信息传输到远离辐射的安全区域，实现了对温度与辐射强度的远距离实时监测并且提出了双芯复合材料光纤光栅。
附图说明
37.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
38.图1为本发明所述的双芯复合材料光纤预制棒的制备流程示意图；
39.图2为本发明所述的双芯复合材料光纤探头的结构示意图；
40.图3为本发明所述的基于双芯复合材料光纤探头的温度与辐射强度双参量传感器结构示意图；
41.图中，1、双孔玻璃管，2、纤芯，3、玻璃套管，4-1、第一传输光纤，4-2、第二传输光纤，5、双芯复合材料光纤探头，5-1、辐射剂量探测纤芯，5-2、温度探测纤芯，6、光谱分析仪，7、光电探测器，8、示波器。
具体实施方式：
42.为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
43.实施例1
44.一种双芯复合材料光纤探头，如图1-2所示，包括玻璃套管3、双孔玻璃管1和两个光纤预制棒的纤芯2；双孔玻璃管1设置于玻璃套管2内，两个光纤预制棒的纤芯2设置于双孔玻璃管1内，光纤预制棒拉制成光纤后的两纤芯分别用于探测温度和辐射剂量；
45.温度探测纤芯5-2通过飞秒激光直写法刻写有光栅，辐射剂量探测纤芯5-1不经处理，通过其发射的荧光强度探测环境中的辐射剂量，温度探测纤芯采用错位熔接的方式连接第一传输光纤4-1，探测辐射剂量的纤芯采用错位熔接的方式连接第二传输光纤4-2，分布在该探头的两端第一、第二传输光纤与探头的两纤芯一一对接，分别用来传输温度信号与辐射强度信号。
46.两个纤芯材为无机闪烁晶体ce:yag，其可以承受高达1700℃的高温。
47.实施例2
48.一种基于双芯复合材料光纤探头的双参量传感器，如图3所示，包括上述的双芯复合材料光纤探头5，其中第一传输光纤4-1连接光谱分析仪6，第二传输光纤4-2连接光电探测器7和示波器8，温度信号经第一传输光纤4-1传输到光谱分析仪(osa)6上，光谱分析仪(osa)对温度信号的光谱信息进行分析并获得波长漂移信息进而对环境中的温度进行标
定；辐射强度信号经第二传输光纤4-2传输到光电探测器(pd)7上，光电探测器(pd)7对其进行光电转换，随后将电信号传输到示波器(osc)上进行分析，通过分析电信号的强弱实现对辐射强度的探测。
49.本实施例中，探头的两纤芯是同质同轴的，其受辐射激发后发出荧光。利用飞秒激光微加工手段使得其中一个纤芯被刻写并且产生轴向一维周期性折射率调制结构，具备了光栅的特性。另一个纤芯未经处理，其受辐射激发后产生的荧光强度与辐射剂量成正比。基于错位熔接技术利用光纤熔接机在双芯复合材料光纤探头的两端熔接传输光纤，该探头的两纤芯分别对接一个传输光纤的纤芯。
50.该光纤探头内的两纤芯材料受辐射场的激发产生荧光，探测辐射强度的纤芯发射荧光并将光信号传输到第二传输光纤4-2，第二传输光纤4-2将光信号传输到较远的安全区域处的光电探测器(pd)，光电探测器(pd)接受光信号并完成光电转换，示波器(osc)接受光电探测器(pd)传输的电信号并将电信号以时域脉冲的形式呈现。由于该纤芯受辐射激发后产生的荧光强度与辐射剂量呈正比，所以依据电信号的强度即可推断环境中的辐射强度(此推断依据前期对辐射强度及电信号强度关系进行的标定)。与上述过程同步进行的是探测温度的纤芯5-2发射出的光信号的传输。探测温度的纤芯5-2发射出的光信号经光栅的周期性折射率调制，满足布拉格条件的光波会被反射回去，其他波长向前传输。满足布拉格条件的光波被第一传输光纤4-1传输到光谱分析仪(osa)进行光谱分析。环境温度的变化与反射回去的布拉格光波的漂移相关，因此通过计算布拉格光波的漂移量即可计算环境中的温度。
51.实施例3
52.一种双芯复合材料光纤探头的制备方法，包括如下步骤：
53.(1)双芯复合材料光纤预制棒的制备：
54.采用打孔技术将玻璃棒处理成双孔玻璃管1，随后将双孔玻璃管1进行酸洗，脱氢基和烘干处理，将两个耐高温的无机闪烁晶体经酒精擦拭处理后分别插入到双孔玻璃管的两个孔内制备成初级预制棒；选取ce:yag作为光纤预制棒的纤芯材料；
55.为了方便进一步拉制，将初级预制棒插入到长600mm的玻璃套管内制备成终极预制棒；
56.在此步骤中，无机闪烁晶体、双孔玻璃管、玻璃套管三者的长度可以相等也可以不等，三者的直径比决定了拉制后光纤的纤芯与包层的比值、芯间距等参数，进而影响光纤性能，无机闪烁晶体、双孔玻璃管、玻璃套管三者的直径比(尺寸)可根据实际需要设计成所需光纤尺寸。
57.(2)设计特定尺寸的双芯复合材料光纤：
58.双芯复合材料光纤探头的尺寸为外径125μm，刻有光栅的纤芯的芯径50μm，探测辐射剂量的纤芯5-1的芯径30μm，芯间距为15μm。传输光纤的尺寸为外径125μm，内径50μm，采用在300-500nm波段损耗低的无机传输光纤。
59.采用棒管法(rit)利用光纤拉丝塔对终极预制棒进行拉制，首先将终极预制棒通过夹持系统夹持到光纤拉丝塔上，送料系统将光纤预制棒送入到石墨炉中，通过精准控制拉丝温度，送料速度、拉制速度、张力等参量，获得所需尺寸的光纤；
60.本实施例中拉丝温度2000℃、送料速度0.65mm/min、拉制速度9.45m/min，张力15g
的条件下可获得了包层直径125μm，纤芯直径25μm，芯间距39μm的双芯复合材料光纤。
61.(3)双芯复合材料光纤光栅的刻写：
62.将制备的双芯复合材料光纤放置到飞秒激光直写法刻制光栅的设备上，并通过精密位移平台来移动光纤，同时对飞秒激光脉冲、激光快门进行同步控制，在双芯复合材料光纤内的一个纤芯上灵活写制一系列周期性的折射率调制点或线，从而形成光栅；
63.(4)传输光纤与双芯复合材料光纤探头的错位熔接：
64.将第一传输光纤和双芯复合材料光纤探头放置在光纤熔接机上，在纤芯与第一传输光纤的纤芯对准的熔接模式下，调节熔接机的放电时间、预熔时间、放电功率、芯间距等参数，将第一传输光纤与该探头的纤芯进行错位熔接，重复上述步骤，在该探头纤芯与第二传输光纤的纤芯对准的熔接模式下，将第二传输光纤与探头的纤芯进行错位熔接。
65.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种双芯复合材料光纤探头，其特征在于，包括玻璃套管、双孔玻璃管和两个光纤预制棒的纤芯；所述双孔玻璃管设置于玻璃套管内，光纤预制棒拉制成光纤后的两纤芯分别用于温度探测和辐射剂量探测；温度探测的纤芯上刻写有光栅，并采用错位熔接的方式连接第一传输光纤，辐射剂量探测的纤芯采用错位熔接的方式连接第二传输光纤。2.根据权利要求1所述的双芯复合材料光纤探头，其特征在于，两个纤芯材为耐高温的石榴石或钙钛矿结构的无机闪烁晶体。3.一种基于该探头的双参量传感器，其特征在于，包括权利要求2所述的双芯复合材料光纤探头，其中第一传输光纤连接光谱分析仪，第二传输光纤连接光电探测器和示波器，温度信号经第一传输光纤传输到光谱分析仪上，光谱分析仪对温度信号的光谱信息进行分析并获得波长漂移信息进而对环境中的温度进行标定；辐射强度信号经第二传输光纤传输到光电探测器上，光电探测器对其进行光电转换，随后将电信号传输到示波器上进行分析，通过分析电信号的强弱实现对辐射强度的探测。4.一种权利要求2所述的双芯复合材料光纤探头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)双芯复合材料光纤预制棒的制备：采用打孔技术将玻璃棒处理成双孔玻璃管，随后将双孔玻璃管进行酸洗，脱氢基和烘干处理，将两个耐高温的无机闪烁晶体经酒精擦拭处理后分别插入到双孔玻璃管的两个孔内制备成初级预制棒；将初级预制棒插入到长10mm～5000mm的玻璃套管内制备成终极预制棒；(2)双芯复合材料光纤的制备：采用棒管法利用光纤拉丝塔对终极预制棒进行拉制，首先将终极预制棒通过夹持系统夹持到光纤拉丝塔上，送料系统将光纤预制棒送入到石墨炉中，通过控制拉丝温度，送料速度、拉制速度、张力等参量，获得所需尺寸的光纤；(3)双芯复合材料光纤光栅的刻写：将制备的双芯复合材料光纤放置到飞秒激光直写法刻制光栅的设备上，并通过精密位移平台来移动光纤，同时对飞秒激光脉冲、激光快门进行同步控制，在双芯复合材料光纤内的一个纤芯上灵活写制一系列周期性的折射率调制点或线，从而形成光栅；(4)传输光纤与双芯复合材料光纤探头的错位熔接：将第一传输光纤和双芯复合材料光纤探头放置在光纤熔接机上，在纤芯与第一传输光纤的纤芯对准的熔接模式下，调节熔接机的放电时间、预熔时间、放电功率、芯间距参数，将第一传输光纤与该探头的纤芯进行错位熔接，重复上述步骤，在该探头纤芯与第二传输光纤的纤芯对准的熔接模式下，将第二传输光纤与探头的另一纤芯进行错位熔接。5.根据权利要求4所述的双芯复合材料光纤探头的制备方法，其特征在于，双芯复合材料光纤的纤芯尺寸小于等于第一传输光纤和第二传输光纤的纤芯。6.根据权利要求4所述的双芯复合材料光纤探头的制备方法，其特征在于，双芯复合材料光纤的两纤芯为同轴或非同轴，异质或非异质。7.根据权利要求4所述的双芯复合材料光纤探头的制备方法，其特征在于，双芯复合材料光纤探头的尺寸为外径30～800μm，刻有光栅的纤芯的芯径5～300μm，另一纤芯芯径5～300μm，芯间距为5～300μm；第一传输光纤和第二传输光纤的尺寸为外径30～800μm，内径10
～700μm。8.根据权利要求4所述的双芯复合材料光纤探头的制备方法，其特征在于，所刻写的光栅的中心反射波长与该探头辐射致发光的荧光光谱中心波长一致。

技术总结
本发明涉及一种双芯复合材料光纤探头、制备方法，及基于该探头的双参量传感器，属于光纤辐射传感探测领域，双芯复合材料光纤探头是一种特种闪烁光纤，其光纤预制棒的纤芯材料由耐高温的无机闪烁晶体组成，可承受1700℃的高温。该双芯光纤由刻有光栅的纤芯与未刻光栅的纤芯组成，分别负责温度传感和辐射监测，通过对该双芯光纤的两纤芯进行同步测量，可实现对温度与辐射强度双参量的同步传感，并且此传感器利用光纤波导的优势，采用特制的光纤探头与错位熔接技术，将光信号传输到远离辐射的安全区域，实现了对温度与辐射强度的远距离实时监测。特别是，该传感器系统借助双芯复合材料光纤探头本身的优势，实现了无需光源的温度传感系统。系统。系统。


技术研发人员：丛振华 黄璐 赵智刚 秦增光 刘兆军
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/17