Sıvı nitrojen (-196℃) hatta sıvı helyum (-269℃) içinde fiber optik buz gibi kırılır mı?
Sıvı azot ( -196\ ^\circ\text{C} ) ve hatta sıvı helyum ( -269\ ^\circ\text{C} ) gibi kriyojenik ortamlarda, öz safir fiber optik kablo ‘buz küpleri’ gibi kendiliğinden parçalanmaz, ancak özel olarak tasarlanmamış normal fiber optik kablolarda, kaplama sertleşmesi ve soyulması, mikrobending ek kayıplarının artması ve hatta dış kuvvetler altında gevrekleşme gibi arızalar meydana gelebilir.
Bir: Fiziksel Mekanizma: Fiber Optik Kabloların Aşırı Düşük Sıcaklıklardaki Davranışı
Fiber optik kablo iki ana bölümden oluşur: merkezdeki yüksek saflıkta silika ( \text{SiO}_2 ) cam ana gövdesi (çekirdek ve kaplama) ve dış çevresindeki polimer kaplama.
-
Safir Camın Yapısal Özelliklerinin Kararlılığı
- Safir cam, makroskopik olarak amorf bir silikat ağ yapısına sahiptir ve geleneksel çok kristalli metallerde olduğu gibi kristal kafes kaymasının engellenmesinden kaynaklanan bir ‘Süneklilikten Gevreklikğe Geçiş (Ductile-to-Brittle Transition)’ yapmaz.
- Oda sıcaklığında safir cam kendisi lineer elastik bir kırılgan malzemedir; sıcaklık sıvı azota ( 77\ \text{K} ) ve hatta sıvı helyuma ( 4.2\ \text{K} ) düştüğünde, safir camın atomik titreşimleri azalır, teorik çekme dayanımı, Young modülü ve hatta kırılma tokluğu biraz artar. Bu nedenle, safir camın saf gövdesi düşük sıcaklıkta statik durumda kendi kendine parçalanmaz.
-
Normal Fiber Optik Kabloların Kriyojenik Ortamda Arızalanmasının Temel Nedeni
- Kaplamanın Soğuk Kırılganlaşması : Normal iletişim fiber optik kabloları, UV ile kürlenmiş çift katmanlı akrilatları kaplama olarak kullanır ve genellikle -40\ ^\circ\text{C} ila +85\ ^\circ\text{C} çalışma aralığına sahiptir. Ortam sıcaklığı -50\ ^\circ\text{C} altına düştüğünde veya -196\ ^\circ\text{C} 'ye ulaştığında, akrilat tamamen camlaşır ve ciddi soğuk kırılganlığı yaşayarak esnekliğini ve tamponlama kapasitesini kaybeder.
- Termal Genleşme Katsayısı (CTE) Arızası : Safir camın termal genleşme katsayısı çok düşüktür (yaklaşık 0.5 \times 10^{-6}\ /\text{K} ), oysa akrilat malzemelerin lineer genleşme katsayısı 10^{-4}\ /\text{K} mertebesindedir. Sıcaklık hızla düştüğünde, kaplama eksenel ve radyal yönde şiddetli termal büzülme yaşar, bu da fiber çekirdek arayüzünde büyük kesme ve mikrobending gerilimlerine neden olur.
- Mikrobending Kaybı ve Mekanik Çatlama : Büzülme gerilimi sadece fiberdeki tam yansımalı kılavuzlama koşullarını bozarak iletim kaybını önemli ölçüde artırmakla kalmaz (optik sinyal ‘donuklaşır’ ve kesilir); aynı zamanda, sertleşmiş ve çatlamış kaplama, küçük bir bozulma veya titreşimle, gerilim yoğunluğunu doğrudan çıplak fiber yüzeyindeki mikro çatlaklara ileterek safir çıplak fiberin anında gevrek kırılmasına neden olur.