Wpływ promieniowania na światłowody

Kiedy włókna światłowodowe są wystawione na działanie promieniowania jonizującego , takiego jak wysokoenergetyczne elektrony , protony , neutrony , promieniowanie rentgenowskie , promieniowanie Ƴ itp., ulegają „uszkodzeniu”. Termin „uszkodzenie” odnosi się przede wszystkim do dodatkowej utraty propagującego sygnału optycznego prowadzącej do zmniejszenia mocy na końcu wyjściowym, co może prowadzić do przedwczesnej awarii elementu i/lub systemu.

Opis

W literaturze fachowej zjawisko to jest często nazywane tłumieniem wywołanym promieniowaniem (RIA). Utrata mocy lub „ciemnienie” występuje, ponieważ wiązania chemiczne tworzące rdzeń światłowodu są przerywane przez uderzającą wysoką energię, co powoduje pojawienie się nowych elektronicznych stanów przejściowych, powodujących dodatkową absorpcję w interesujących obszarach długości fali. Po usunięciu źródła promieniowania włókno w pewnym stopniu powraca do swojego pierwotnego stanu (proces zwany regeneracją).

O wielkości uszkodzeń decyduje równowaga między generowaniem defektów (nadmierne tłumienie ) z jednej strony i anihilacją defektów (odzyskiwaniem) z drugiej strony. Jeśli moc dawki jest niska, stan równowagi (między tłumieniem a powrotem do zdrowia) jest osiągany przy pewnym stopniu zaciemnienia. Przeciwnie, jeśli moc dawki jest wysoka, użyteczność światłowodu zależy od całkowitego indukowanego tłumienia i czasu regeneracji. Zrozumienie tych efektów indukowanych promieniowaniem jest ważne szczególnie w zastosowaniach kosmicznych, w których rozważa się wykorzystanie światłowodów w coraz większej liczbie zastosowań.

Wady

Wewnętrzne defekty są obecne w matrycy jednoskładnikowego materiału szklanego, takiego jak czysta krzemionka . Należą do nich wiązania nadtlenowe, POL (≡Si-OO-Si≡), które są śródmiąższowymi tlenami, oraz centra niedoboru tlenu, ODC (≡Si-Si≡), które są wakacjami tlenowymi. Pod wpływem promieniowania jonizującego miejsca te zatrzymują dziury, tworząc odpowiednio rodniki nadtlenowe, centra POR (≡Si-OO.) i E' (≡Si.). Ponadto szybko schłodzona krzemionka ma naprężone wiązania ≡Si-O-Si≡, które są rozszczepiane pod wpływem promieniowania, tworząc niemostkowe centra dziur tlenowych (NBOHC) przedstawione jako ≡Si-O. i centra E' przez wychwytywanie odpowiednio dziur i elektronów. Gdy szkło zawiera drugą substancję tworzącą sieć o takiej samej wartościowości jak krzem, taki jak german, różnica elektroujemności faworyzuje domieszkę jako pułapkę na dziury.

Większe szkody

Stąd większe uszkodzenia promieniowania występują w domieszkowanym szkle krzemionkowym. Aby poprawić odporność na promieniowanie włókien z czystego rdzenia krzemionkowego, konieczne jest zminimalizowanie gęstości liczbowej tych wewnętrznych defektów. Minimalizację defektów uzyskuje się nie tylko poprzez ograniczenie wprowadzania zanieczyszczeń do szkła, ale także poprzez kontrolowanie składu gazu wejściowego, optymalizację historii termicznej szkła na wszystkich etapach produkcji włókna oraz optymalizację naprężeń w rdzeniu włókna. Inne strategie obejmują wprowadzenie domieszek (takich jak fluor), które minimalizują powstawanie centrów defektów omówionych powyżej.

Włókna optyczne

Wszystkie włókna światłowodowe ulegają pewnemu ciemnieniu w zależności od wielu czynników, do których należą: rodzaj jonizacji, skład szkła rdzenia światłowodu, długość fali roboczej, moc dawki, całkowita dawka skumulowana, temperatura i moc rozchodząca się przez rdzeń. Ponieważ tłumienie jest zależne od składu, obserwuje się, że włókna mające rdzeń z czystej krzemionki i płaszcze domieszkowane fluorem są jednymi z najbardziej odpornych na promieniowanie włókien. Obecność w rdzeniu domieszek takich jak german , fosfor , bor , aluminium , erb , iterb , tul , holm itp. pogarszają twardość radiacyjną światłowodów. Aby zminimalizować skutki uszkodzeń, lepiej jest używać światłowodu z czystym rdzeniem krzemionkowym przy wyższej roboczej długości fali, niższej mocy dawki, niższej całkowitej dawce skumulowanej, wyższej temperaturze (przyspieszona regeneracja) i wyższej mocy sygnału (foto-wybielanie). Oprócz tych wewnętrznych kroków może być wymagana zewnętrzna inżynieria, aby osłonić światłowód przed skutkami promieniowania.

Włókna rdzeniowe

Włókna rdzeniowe domieszkowane germanem mogą być odporne na promieniowanie nawet przy wysokich stężeniach germanu. Włókna takie osiągają nasycenie, dobrze wygrzewają się w wyższych temperaturach, a także reagują na fotowybielanie. W przypadku włókien rdzeniowych domieszkowanych fosforem tłumienność wzrasta liniowo wraz ze wzrostem zawartości fosforu i włókna te nie osiągają nasycenia. Odzyskiwanie jest bardzo trudne nawet w wyższych temperaturach. Bor, aluminium i wszystkie domieszki metali ziem rzadkich znacząco wpływają na utratę włókien.

Zestawiono charakterystyki promieniowania różnych włókien SM, MM i PM produkowanych przez różnych dostawców, które zostały przetestowane w szerokim zakresie środowisk radiacyjnych.