Воздействие радиации на оптические волокна
Когда оптические волокна подвергаются воздействию ионизирующего излучения, такого как энергичные электроны , протоны , нейтроны , рентгеновские лучи , Ƴ-излучение и т. д., они подвергаются «повреждению». [1] [2] Термин «повреждение» в первую очередь относится к дополнительному оптическому поглощению, приводящему к потере распространяющегося оптического сигнала, что приводит к снижению мощности на выходе, что может привести к преждевременному выходу из строя компонента и/или системы.
Описание
[ редактировать ]В профессиональной литературе этот эффект часто называют радиационно-индуцированным ослаблением (RIA) или радиационно-индуцированным потемнением. Потеря мощности или «потомнение» происходит потому, что химические связи, образующие сердцевину оптического волокна, разрушаются под воздействием падающей высокой энергии, что приводит к появлению новых электронных переходных состояний, вызывающих дополнительное поглощение в интересующих диапазонах длин волн. Радиационно-индуцированные дефекты имеют тенденцию поглощать больше на более коротких длинах волн, [3] и, следовательно, поврежденное радиацией стекло кажется желтым.
После удаления источника излучения волокно может частично восстановить свою первоначальную прозрачность. [3] (процесс, называемый восстановлением или «самовосстановлением»), который происходит за счет термического отжига или фотообесцвечивания дефектов. [2] Степень ущерба определяется балансом между возникновением дефектов (избыточным затуханием ), с одной стороны, и уничтожением (восстановлением) дефектов, с другой стороны. [2] Если мощность дозы мала, состояние равновесия (между затуханием и восстановлением) достигается с некоторой степенью затемнения. Однако если мощность дозы высока, полезность волокна зависит от общего индуцированного затухания и времени восстановления. Понимание этих эффектов, вызванных радиацией, особенно важно для космических приложений, где оптические волокна рассматриваются для использования во все большем числе приложений. [3] [4]
Дефекты
[ редактировать ]Собственные дефекты присутствуют в матрице даже однокомпонентного стеклянного материала, такого как чистый кремнезем . К ним относятся перокси связи, POL (≡Si-OO-Si≡), которые представляют собой кислородные межузельные структуры, и центры дефицита кислорода, ODC (≡Si-Si≡), которые представляют собой кислородные вакансии. [4] При воздействии ионизирующего излучения эти центры улавливают заряд (обычно дырки ) с образованием пероксирадикалов, POR (≡Si-OO.) и E'-центров (≡Si.) соответственно. Эти захваченные заряды взаимодействуют с электрическим полем электромагнитной волны, вызывая поглощение. Кроме того, быстро охлажденный кремнезем имеет напряженные связи ≡Si-O-Si≡, которые расщепляются под воздействием радиации с образованием немостиковых кислородных дырочных центров (NBOHC), обозначенных как ≡Si-O. и E'-центры, захватывая дырки и электроны соответственно. [5] Когда стекло содержит второй сеткообразователь с той же валентностью, что и кремний, например германий, разница в электроотрицательности делает примесь предпочтительной ловушкой для дырок.
Уменьшение ущерба
[ редактировать ]Следовательно, в легированном кварцевом стекле происходит радиационное повреждение. Для повышения радиационной стойкости волокон с сердцевиной из чистого кварца необходимо минимизировать плотность этих собственных дефектов. Минимизация дефектов достигается не только за счет уменьшения включения примесей в стекло, но и за счет контроля состава входного газа, оптимизации термической истории стекла на всех этапах производства волокна и оптимизации напряжений в сердцевине волокна. Другие стратегии включают включение легирующих примесей (таких как фтор), которые сводят к минимуму образование дефектных центров, обсуждавшихся выше. в ядро [6]
Оптические волокна
[ редактировать ]Все оптические волокна подвергаются некоторому затемнению в зависимости от ряда факторов, включая: тип ионизации, состав стекла сердцевины оптического волокна, рабочую длину волны, мощность дозы, общую накопленную дозу, температуру и мощность, распространяющуюся через сердцевину. [1] Поскольку затухание зависит от состава, замечено, что волокна с сердцевиной из чистого кварца и оболочкой, легированной фтором, являются одними из наиболее радиационно-стойких волокон. Присутствие в сердцевине примесей, таких как германий , фосфор , бор , алюминий , эрбий , иттербий , тулий , гольмий и т. д., снижает радиационную стойкость оптических волокон. Чтобы свести к минимуму последствия повреждения, лучше использовать волокно с сердцевиной из чистого кварца при более высокой рабочей длине волны, меньшей мощности дозы, меньшей общей накопленной дозе, более высокой температуре (ускоренное восстановление) и более высокой мощности сигнала (фотообесцвечивание). В дополнение к этим внутренним шагам может потребоваться внешняя инженерия для защиты волокна от воздействия радиации. [4]
Сердцевинные волокна
[ редактировать ]Волокна с сердцевиной, легированной германием, могут быть радиационно-стойкими даже при высоких концентрациях германия. Такие волокна достигают насыщения, хорошо отжигаются при более высоких температурах, а также поддаются фотоотбеливанию. В случае волокон с сердцевиной, легированной фосфором, затухание увеличивается линейно с увеличением содержания фосфора, и эти волокна не достигают насыщения. Восстановление очень сложно даже при более высоких температурах. Бор, алюминий и все легирующие примеси редкоземельных элементов существенно влияют на потери волокна. [7]
Сопоставлены радиационные характеристики различных волокон SM, MM и PM разных производителей, прошедших испытания в широком диапазоне радиационных сред. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Лю, Фухуа и др. (2012) «Воздействие радиации на оптические волокна », глава 20, «Последние достижения в исследованиях оптических волокон», Intech, ISBN 978-953-307-823-6 , стр. 432-450. Проверено 27 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с «2. Радиационное воздействие и испытания» . Центр космических полетов имени Годдарда НАСА. Архивировано из оригинала 18 февраля 2013 г. Проверено 17 апреля 2013 г.
- ^ Jump up to: а б с Дойл, Доминик (январь 2010 г.). « Радиационная стойкость оптических материалов », 3-й семинар по приборам миссии системы Юпитер в Европе, ESA ESTEC. Проверено 27 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с «Специальные оптические волокна» . Последовательный.
- ^ Э. Дж. Фрибеле и Д. Л. Гриском (1979). Радиационные эффекты в стекле , Academic Press, Нью-Йорк.
- ^ Депарис, О.; Гриском, ДЛ; Мегре, П.; Декретон, М.; Блондель, М. (1997). «Влияние толщины оболочки на эволюцию полосы NBOHC в оптических волокнах, подвергшихся воздействию гамма-излучения». Журнал некристаллических твердых тел . 216 . Эльзевир Б.В.: 124–128. Бибкод : 1997JNCS..216..124D . дои : 10.1016/s0022-3093(97)00123-3 . ISSN 0022-3093 .
- ^ Jump up to: а б Арай, Кадзуо; Имаи, Хироаки; Исоя, Дзюнъити; Хосоно, Хидео; Абэ, Ёсихиро; Имагава, Хироши (1 мая 1992 г.). «Доказательства парного образования E 'центра и немостикового кислородно-дырочного центра в синтетических кварцевых стеклах с низким содержанием ОН, допированных фтором и облученных γ-лучами». Физический обзор B . 45 (18). Американское физическое общество (APS): 10818–10821. Бибкод : 1992PhRvB..4510818A . дои : 10.1103/physrevb.45.10818 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 10000998 .