Когда оптические волокна подвергаются воздействию ионизирующего излучения, такого как энергичные электроны , протоны , нейтроны , рентгеновские лучи , Ƴ-излучение и т. д., они подвергаются «повреждению». [1] Термин «повреждение» в первую очередь относится к дополнительной потере распространяющегося оптического сигнала, приводящей к снижению мощности на выходе, что может привести к преждевременному выходу из строя компонента и/или системы.
В профессиональной литературе этот эффект часто называют радиационно-индуцированным ослаблением (RIA). Потеря мощности или «потомнение» происходит потому, что химические связи, образующие сердцевину оптического волокна, разрушаются под действием падающей высокой энергии, что приводит к появлению новых электронных переходных состояний, вызывающих дополнительное поглощение в интересующих диапазонах длин волн. После удаления источника излучения волокно в некоторой степени возвращается в исходное состояние (этот процесс называется восстановлением).
Степень ущерба определяется балансом между возникновением дефектов (избыточным затуханием ), с одной стороны, и уничтожением (восстановлением) дефектов, с другой стороны. Если мощность дозы мала, состояние равновесия (между затуханием и восстановлением) достигается с некоторой степенью затемнения. Напротив, 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. [2]
Собственные дефекты присутствуют в матрице однокомпонентного стеклянного материала, такого как чистый кремнезем . К ним относятся пер-окси связи, POL (≡Si-OO-Si≡), которые представляют собой кислородные межузельные структуры, и центры дефицита кислорода, ODC (≡Si-Si≡), которые представляют собой кислородные вакансии. [2] При воздействии ионизирующего излучения эти центры захватывают дырки с образованием пероксирадикалов, POR (≡Si-OO.) и E'-центров (≡Si.) соответственно. 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. [3] Когда стекло содержит второй сеткообразователь с той же валентностью, что и кремний, например германий, разница в электроотрицательностях благоприятствует использованию легирующей примеси в качестве ловушки дырок.
Следовательно, большее радиационное повреждение происходит в легированном кварцевом стекле. 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 в ядро легирующих примесей (таких как фтор), которые сводят к минимуму образование дефектных центров, обсуждавшихся выше. [4]
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. 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. [5]
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. [6]
Сопоставлены радиационные характеристики различных волокон SM, MM и PM разных производителей, прошедших испытания в широком диапазоне радиационных сред. [6]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )