Man sagt, dass Kernstrahlung Glas schwarz färbt. Wie werden also die Messungen neben einem Kernreaktor durchgeführt?
In den Bereichen Kernindustrie und Hochenergiephysik verursacht nukleare Strahlung tatsächlich das physikalische Phänomen des „Schwarzwerdens“ bei gewöhnlichem optischem Glas und Glasfasern. Dass Glasfaser-Überwachungssysteme in Kernreaktoren und deren Umgebungen stabil funktionieren können, beruht auf speziellen Materialsystemen, Modulationsmechanismen und Schutzummantelungstechnologien.
Eins: Physikalische Mechanismen der Strahlungsinduzierten Schwärzung von Glas: Strahlungsinduzierte Dämpfung (RIA)
Das Phänomen der Schwärzung gewöhnlicher Quarzglasfasern unter starker ionisierender Strahlung (wie \gamma-Strahlen, Neutronenflüssen, Röntgenstrahlen usw.) wird physikalisch als strahlungsinduzierte Dämpfung (Radiation-Induced Attenuation, RIA) bezeichnet:
- Entstehung von Farbzentren (Color Centers): Hochenergetische Strahlung bricht kovalente Bindungen im mikroskopischen Netzwerk von Siliziumdioxid (\text{SiO}_2) und regt freie Elektronen und Löcher an. Diese Ladungsträger werden von intrinsischen Defekten im Gitter eingefangen und bilden charakteristische Absorptionszentren (Farbzentren, z. B. E'-Zentren, nicht-brückenbildende Sauerstoff-Loch-Zentren NBOHC usw.).
- Rotverschiebung des Absorptionsspektrums: Die charakteristischen Absorptionsspitzen der Farbzentren liegen hauptsächlich im ultravioletten (UV) und sichtbaren Wellenlängenbereich. Ihre Absorptionsbanden reichen bis in den nahen Infrarot-Kommunikationsbereich ( 1310\ \text{nm} bis 1550\ \text{nm} ). Makroskopisch äußert sich dies in einem drastisch reduzierten Lichtdurchsatz des Glases und einer tiefbraunen bis schwarzen Färbung.
- Induktionseffekt durch Dotierstoffe: Der Kern gewöhnlicher, für die Telekommunikation verwendeter Monomodenfasern ist üblicherweise mit Germanium (\text{Ge}) dotiert, um den Brechungsindex zu erhöhen. Germaniumatome sind unter Bestrahlung anfällig für die Induktion schwerer Germanium-assoziierter Farbzentren, was zu einem Anstieg der Lichtverluste um mehrere Größenordnungen in kurzer Zeit führt und eine langfristige Nutzung unmöglich macht.
Zwei: Glasfaser-Überwachungslösungen für Kernreaktoren und Umgebungen mit hoher Bestrahlung
Für Kerninseln und ihre Umgebungen lösen optische Sensorsysteme die Herausforderung der Strahlenbeständigkeit auf den folgenden vier technischen und physikalischen Ebenen:
1. Modifikation des Kernmaterials: Reiner Siliziumkern (Pure Silica Core)
Der gewöhnliche Germanium-dotierte Kern ist die Haupthürde für die Strahlenbeständigkeit. Strahlenbeständige Spezialglasfasern verwenden üblicherweise einen Kern aus hochreinem Siliziumdioxid (Reiner Siliziumkern, Pure Silica Core Fiber) und senken den Brechungsindex des Mantels durch Dotierung mit Fluor (\text{F} ), um eine Wellenleiterbildung durch Totalreflexion zu ermöglichen. Ein reiner Siliziumkern weist nur wenige Verunreinigungen und Vorläuferdefekte auf, was die Bildung strahlungsinduzierter Farbzentren erheblich unterdrückt.
2. Wellenlängenkodiertes Sensorprinzip (Vorteil von FBG)
Herkömmliche optische Sensoren, die auf der Abschwächung der Lichtintensität basieren, sind in bestrahlten Umgebungen anfällig für Fehlersignale. Bei der Sensortechnik, die auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) basiert, sind die Messinformationen im Zentrum der Wellenlänge des reflektierten Spektrums kodiert ( \lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda ):
- Solange das Detektionsende die Spitzenwellenlänge des Reflexionspeaks erkennen kann, bleiben die ausgelesenen Temperatur- oder Dehnungsdaten hochpräzise und weisen keine Messabweichungen auf, selbst wenn auf dem Übertragungspfad der Lichtleitung aufgrund von RIA Dämpfungen von mehreren \text{dB} auftreten.
3. Thermische Ausheilung (Thermal Annealing)
In der Hochtemperaturumgebung eines Kernreaktors fördern thermische Gittervibrationen die Rekombination von eingefangenen Elektronen und Löchern, wodurch die gebildeten Farbzentren durch Ausheilung vernichtet werden. Wenn hohe Temperaturen (z. B. > 150^\circ\text{C} ) und Strahlung gleichzeitig auftreten, ist die dynamische Gleichgewichts-Dämpfung der Glasfaser oft signifikant geringer als in einer reinen Bestrahlungsumgebung bei Raumtemperatur.
4. Hochzuverlässige, temperaturbeständige Beschichtung und metallische Verkapselung
In nuklearen Umgebungen treten neben Strahlung auch hohe Temperaturen und Neutronenbestrahlung auf, die zur Versprödung führen. Herkömmliche UV-Acrylat-Beschichtungen zersetzen sich schnell zu Kohlenstoff und müssen durch hochtemperaturbeständige Polyimid (Polyimide)-Beschichtungen oder metallische Beschichtungen (z. B. vergoldete Glasfasern) ersetzt werden. Die äußere Schicht wird durch eine nahtlose Edelstahlrohr-Panzerung ergänzt, um zu verhindern, dass die freiliegende Glasfaser durch Umwelteinflüsse korrodiert oder mechanisch belastet wird.
Drei: Zugehörige Spezialglasfaserprodukte und Spezifikationen
Für spezielle Arbeitsbedingungen mit gleichzeitiger starker Strahlung und hohen Temperaturen bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) eine Serie von hochtemperaturbeständigen Glasfaserprodukten an, die reine Siliziumkerne unterstützen:
1. OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber
Diese Glasfaser verfügt über eine Polyimid-Beschichtung, einen Betriebstemperaturbereich von -270^\circ\text{C} bis 350^\circ\text{C} und einen standardmäßig dotierten Kern. Sie unterstützt auch kundenspezifische reine Siliziumkerne und eignet sich für Sensorik und Signalübertragung in Umgebungen mit hohen Temperaturen und Strahlung.
Details auf der offiziellen Website: OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber
2. OFSCN® Gold-coated Optical Fiber
Eine metallisierte Glasfaser, die extremen Temperaturen standhält, mit einem Monomoden-Betriebstemperaturbereich von -270^\circ\text{C} bis 700^\circ\text{C} . Sie verwendet eine Goldbeschichtung, setzt keine organischen flüchtigen Stoffe frei und unterstützt kundenspezifische reine Siliziumkerne. Sie kann den extremen Temperaturen und kombinierten Strahlungsumgebungen in der Nähe von Kernreaktoren standhalten.
Details auf der offiziellen Website: OFSCN® Gold-coated Optical Fiber
