광섬유 브래그 격자 센서를 온도와 방사선량 센서로 동시에 구현하는 장치 및 그 방법{THE DEVICE FOR IMPLEMENTING THE FBS SENSORS WITH THE TEMPERATURE AND RADIATION SENSORS, AND THIS METHOD}

본 발명은 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating, FGB) 센서를 이용하여 온도와 방사선량을 동시에 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하되 하나의 센서는 중공형 방사선차폐부재를 착용시켜 두 센서로부터 방사선량과 온도의 값을 분리하여 정확하게 측정하는 기술에 관한 것이다.

후쿠시마 원전 사고 시 초기대응 조치의 미흡으로 사고 처리가 지연되었고 1년이 지난 현재까지도 해결에 어려움을 겪고 있다. 이는 사고현장에서 설치되어 온도, 방사선량 등 측정하는 센서로 공급되는 전원이 차단되어 센서가 기능을 상실하였고 이로 인해 사고현장의 정보가 외부로 전달되지 못한 문제에 기인하고 있다.

이러한 문제점의 해결책으로 센서의 구동에 전원이 필요 없고 원거리에서도 원격지 환경을 측정할 수 있는 광섬유 센서가 유력한 대안이다. 광섬유 브래그 격자 온도센서는 수 km 이상의 원격지에서 센서에 전원공급 없이도 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 파장의 변이측정으로 설치된 환경의 온도를 정밀하게 측정이 가능하다. 그러나 이 파장의 변화는 온도뿐만 아니라 방사선에도 영향을 받아 하나의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 방사선환경에서 온도를 측정하는 센서로 구현하기에는 기술적 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명은 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.

첫째, 방사선이 조사되는 환경에서 온도계측에서 사용되는 선형적 주파수 변위량이 방사선 피폭량에도 동시에 선형적 특성을 가져 두 값을 구분하여 센싱하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

둘째, 두 개의 광섬유 브래그 격자 센서를 활용하되 하나의 센서는 중공형의 방사선차폐부재를 착용시켜 두 센서로부터 방사선량과 온도의 값을 분리하여 정확하게 측정하는 새로운 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 방사선에 노출되는 광섬유; 상기 광섬유의 일단에 설치되는 제 1 광섬유 브래그 격자 센서와, 상기 제 1광섬유 브래그 격자 센서와 이격되게 설치되는 제 2 광섬유 브래그 격자 센서; 상기 제 2 광섬유 브래그 격자 센서의 둘레에는 방사선의 차폐 반가층 두께(B)를 가지는 중공형의 방사선차폐부재;를 포함하며, 상기 제 1 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정된 방사선량과 상기 중공형의 방사선차폐부재에 둘러싸인 제 2 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정된 방사선량값을 비교하여 온도와 방사선량을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서를 온도와 방사선량센서로 동시에 구현하는 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 장치를 이용한 온도와 방사선량을 측정하는 방법에 있어서, 상기 제 1 광섬유 브래그 격자 센서 및 제 2 광섬유 브래그 격자 센서에서 파장 변위량을 측정하는 S1단계; 제 1 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정된 파장 변위량에서 제 2 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정된 파장 변위량의 차이값을 계산하는 S2단계; 상기 S2 단계에서 계산된 파장 변위량의 차이값에 해당하는 방사선량에 2를 곱하여 전체 방사선량을 구하는 S3단계; 제 1 광섬유 브래그 격자 센서의 파장 변위량에서 S3단계에서 구한 전체 방사선량에 의한 파장 변위량을 제거하여 온도에 의한 파장 변위량을 구하는 S4단계; 및 상기 S4단계에서 구한 온도에 의한 파장 변위량으로부터 온도를 구하는 S5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서로 온도와 방사선량을 측정하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 온도와 방사선량 센서로 동시에 구현하는 장치 및 그 방법에 따르면 원전 사고 발생시 원전 내부 구역에 따른 온도 분포를 실시간 측정할 수 있으며, 방사선 누출 발생시 방사선 선량 및 누출 위치를 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서 온도와 방사선 선량계측을 통한 원전 내부 상태를 진단하여 사고 원인을 신속하게 분석하여 사고확대를 방지 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 정상적인 상태의 원전이나 방사선발생 시설 등에서 온도와 방사선량의 정보를 동시에 측정하는 상용 센서시스템으로 적용 및 상용화 구현이 가능하며, 원전사고시 사고환경 내부의 정보파악에 결정적 요소인 온도와 방사선 피폭량을 하나의 광섬유 라인으로부터 동시에 원격에서 측정할 수 있는 센서시스템으로 중요한 기능수행이 가능하다. 특히 전원이 상실된 상태에서도 사고현장으로부터 수km 떨어진 곳에서도 원격 측정이 가능하므로 사고처리에 중요한 정보제공으로 핵심적 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 구성도이다.
도 3은 중공형 방사선차폐부재를 감싸고 있는 광섬유 브래그 격자 센서의 단면도이다.
도 4는 중공형 방사선차폐부재에 지지부재가 설치되어 광섬유와 연결관계를 나타내는 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 광섬유 브래그 격자 센서를 온도와 방사선량 센서로 동시에 구현하는 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다. 이러한 광섬유의 주성분은 실리카 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성되어 있다.

광섬유 브래그 격자 배열형 센서는, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.

광섬유 브래그 격자 배열형 센서에는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장분할방식이라 하는데, 이 방법에서는 광원의 한정된 선폭에 의하여 동시에 측정할 수 있는 격자의 개수에 제약을 받는다. 측정할 수 있는 격자의 개수를 증가시키기 위한 방법으로 파장분할방식과 시간분할방식을 병행하기도 한다.

브래그 격자 센서 어레이의 가장 큰 응용 중에 하나는 구조물의 상태를 진단하는 smart structure가 있다. 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 내부에 광섬유 격자 어레이를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하여 구조물의 안전상태를 진단할 수 있다. 항공기나 헬리콥터 등의 날개 상태 진단 등에도 응용되고 있다.

광섬유 브래그 격자는 도 1에 도시된 바와 같이 코어(101)를 중심으로 클레딩(102)이 형성되고, 형성된 크레딩(102)의 외면에 자켓(103)이 형성된 것으로, 코어(101)에는 자외선에 노출되는 경우 굴절률이 증가할 수 있도록 게르마늄(Ge) 등을 이용한 격자(104)를 형성한다. 따라서 코어(101)로 입사되는 입사파(I)는 격자(104)에서 굴절율에 따른 필터링이 수행되며 반사된다. 따라서 방사선 조사전과 조사후의 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 반사파(R)의 광파워를 비교하여 방사선 조사선량에 따른 광섬유의 방사선 유입손실을 측정할 수 있으며, 광섬유의 유입손실 크기에 따라 방사선의 양을 측정할 수 있는 방사선 측정센서를 구성할 수 있다. 이러한 센서의 경우 전자파 등에 의한 노이즈를 발생시키지 않고, 광섬유의 유입손실과 그에 따른 방사선 선량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 구성도이다.

광섬유(100)의 일측에 제 1 광섬유 브래그 격자 센서(110)가 배치되고, 일정한 간격을 두고 제 2 광섬유 브래그 격자 센서(111)가 설치되어 있다. 통상적으로 상기 간격은 20 내지 30 cm가 일반적이다. 상기 제 2 광섬유 브래그 격자 센서(111)는 중공형의 방사선차폐부재(120)에 의해서 둘러싸인 형태로 되어 있다. 광섬유 브래그 격자 센서는 온도의 변화와 방사선량 피폭량에 따라 각각 선형적 출력파장의 변이특성을 보인다. 따라서, 상기 두 개의 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정되는 두 계측량을 구분하게 되면 하나의 광섬유(100)만으로도 온도와 방사선량을 동시에 측정할 수 있게 된다.

방사선에 노출되는 한 라인의 광섬유(100)상에 제 1 광섬유 브래그 격자 센서(110)와 제 2 광섬유 브래그 격자 센서(111)를 근접하게 배치한다. 이때 제 2 광섬유 브래그 격자 센서(111) 둘레에는 중공형의 방사선차폐부재(120)를 배치한다. 상기 방사선차폐부재(120)는 측정환경에서 주된(dominant) 방사선의 차폐 반가층 두께를 가지도록 해야 한다.

이미 대표적인 물질의 반가층 두께와 γ선 에너지와의 관계가 실험적으로 구해져 있으므로, 이를 이용하여 본 발명에서는 방사선량을 구한다. 방사선차폐부재(120)는 텅스텐 또는 납 재질로 구성되는 것이 일반적이며, 반가층 두께와 γ선 에너지와의 관계가 알려진 재질은 어떠한 것이라도 사용될 수 있다.

도 3은 중공형 방사선차폐부재를 감싸고 있는 광섬유 브래그 격자 센서의 단면도이다. 광섬유 브래그 격자 센서의 둘레를 중공형 방사선차폐부재(120)로 둘러싸고 있는 구조로, 지지부재(121)에 의해서 상기 방사선차폐부재(120)가 배치되어 있다. 광섬유 브래그 격자 센서와 일정량의 공간을 두고 방사선차폐부재(120)가 배치되는데, 이는 보다 정확한 방사선량을 측정하기 위해서 광섬유 브래그 격자 센서가 외부환경과 동일한 조건을 만들어 주기 위함이다. 도 4에서는 지지부재(121)와 광섬유(100)가 결합되는 과정을 보여주는 것으로 상기 지지부재(121)는 방사선차폐부재(120)의 입구부분과 출구부분에만 배치될 수도 있고, 보다 안정적인 지지를 위해서 내측에 하나 이상의 공간에 배치될 수 있다. 도 4에서는 입구부분에 3개의 지지부재(121)를 이용하여 광섬유(100)에 결합되는 실시예를 보여주고 있으나, 지지부재(121)의 수는 한정되지 않으며, 외부조건과 방사선차폐부재(120)의 내부조건이 동일하게 할 수 있는 정도라면 자유롭게 사용할 수 있다

광섬유 브래그 격자 센서의 길이(L)는 통상적으로 10 내지 20 mm가 일반적인데, 도 3에 나타난 것과 같이 방사선차폐부재(120)의 길이는 광섬유 브래그 격자 센서를 충분히 감쌀 수 있을 정도인 1.5L 내지 3L로 하는 것이 좋다. 방사선차폐부재(120)의 길이가 1.5L보다 작은 경우에는 광섬유 브래그 격자 센서에서 피폭된 방사선량에 오차가 발생할 수 있으며, 3L보다 큰 경우에는 방사선차폐부재(120)의 무게로 인해서 광섬유(100)라인에 무리를 주게 된다.

또한, 방사선차폐부재(120)의 두께(B)는 측정환경에서 주된 방사선의 차폐 반가층 두께를 가져야 하며, 방사선차폐부재(120)의 내측직경(D)은 광섬유의 직경의 1.1D 내지 3D정도를 가지는 것이 바람직하다.

도 2에 나타난 구성으로 제 1 광섬유 브래그 격자 센서(110)에서 측정되는 방사선량은 제 2 광섬유 브래그 격자 센서(111)에서의 방사선량값의 절반이 된다. 그러므로, 제 1 광섬유 브래그 격자 센서(110)와 제 2 광섬유 브래그 격자 센서(111)에서 측정된 파장 변위량의 차이값(P = 제 1 광섬유 브래그 격자 센서의 파장 변위량 - 제 2 광섬유 브래그 격자 센서의 파장 변위량)은 상기 구성이 설치된 환경에서 피폭된 방사선량의 반이 되므로, 전체 방사선 피폭량은 2*P의 파장 변위량에 해당하는 방사선량값으로 바로 구할 수 있다.(이때 물론 두 센서는 특성이 유사하여 온도에 대한 파장 변위량은 동일하다고 가정한다.) 다음으로 제 1 광섬유 브래그 격자 센서(111)의 파장 변위량으로부터 2*P를 제거하면 그 값이 바로 온도에 의한 파장의 변위량이 되어 온도와 방사선량을 독립적으로 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서로 온도와 방사선량을 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

우선, 제 1 광섬유 브래그 격자 센서 및 중공형의 방사선차폐부재로 둘러싸인 제 2 광섬유 브래그 격자 센서에서 파장 변위량을 측정하는 S1단계를 거친다.

다음으로, 제 1 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정된 파장 변위량에서 제 2 광섬유 브래그 격자 센서에서 측정된 파장 변위량의 차이값(P)을 계산하는 S2단계를 거친다.

다음으로, S2 단계에서 계산된 파장 변위량의 차이값(P)에 해당하는 방사선량에 2를 곱하여 전체 방사선량을 구하는 S3단계를 거친다.

다음으로 제 1 광섬유 브래그 격자 센서의 파장 변위량에서 S3단계에서 구한 전체 방사선량에 의한 파장 변위량을 제거하여 온도에 의한 파장 변위량을 구하는 S4단계를 거친다.

마지막으로, 상기 S4단계에서 구한 온도에 의한 파장 변위량으로부터 온도를 구하는 S5단계를 거쳐서 온도와 방사선량을 구하게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 광섬유
101: 코어
102: 크레딩
103: 자켓
104: 격자
110: 제 1 광섬유 브래그 격자 센서
111: 제 2 광섬유 브래그 격자 센서
120: 방사선차폐부재
121: 지지부재