Hidrojen eskimesi nedir?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Fiber optiklerin hidrojen gazı nedeniyle karardığını duydum, bunun nedeni nedir?

2

Optik iletişim ve fiber optik algılama alanlarında bahsettiğiniz, «hidrojenin camın içine girerek fiberi karartması» olgusuna fizik ve mühendislikte «hidrojen hasarı» (veya hidrojen kaynaklı zayıflama, İngilizce: Hydrogen Aging veya Hydrogen Darkening) denir. Bu, katıhal fiziği ve optiğin kesiştiği çok klasik bir olgudur.

Bu olgunun bilimsel prensipleri, oluşum mekanizmaları ve ilgili mühendislik çözümleri aşağıdadır:

I. «Hidrojen Hasarı» (Hydrogen Aging / Darkening) Nedir?

Fiberin ana bileşeni yüksek saflıkta silisyum dioksit ( SiO_2 ) camıdır. Cam bize çok yoğun görünse de, moleküler ölçekte silisyum dioksitin amorf ağ yapısı içinde çok sayıda mikroskobik kafes boşluğu bulunur.

Fiber hidrojen açısından zengin bir ortamda bulunduğunda, hidrojen molekülünün ( H_2 ) çok küçük moleküler yarıçapı (dinamik çapı sadece yaklaşık 0,289\ \text{nm} ) nedeniyle, bir elekten geçiyormuş gibi, fiziksel difüzyon yoluyla kuvars camın içine nüfuz edebilir. Fiberin içine giren hidrojen, fiberin iletim kaybının keskin bir şekilde artmasına (yani sözde «kararmaya») esas olarak aşağıdaki iki mekanizma aracılığıyla neden olur:

1. Fiziksel Soğurma Kaybı (Geri Dönüşümlü Süreç)

Kuvars cam boşluklarına çözünmüş serbest H_2 molekülleri, belirli dalga boylarındaki ışığı soğurur. Kızılötesi bantta karakteristik soğurma zirveleri oluştururlar (örneğin 1240\ \text{nm} civarında ve optik iletişim bantlarına yakın 1383\ \text{nm} , 1430\ \text{nm} gibi konumlarda). Bu soğurma kaybı fizikseldir; eğer fiber hidrojen ortamından çıkarılıp hidrojen giderme işlemine tabi tutulursa, serbest hidrojen molekülleri yavaşça fiberden dışarı yayılır ve kayıp kısmen veya tamamen geri kazanılabilir.

2. Kimyasal Kusur Soğurma Kaybı (Geri Dönüşümsüz Süreç)

Yüksek sıcaklık veya basınç altında, fiber içine yayılan hidrojen molekülleri, fiber cam matrisi veya çekirdekteki katkı maddeleriyle (örneğin kırılma indisini artırmak için kullanılan galyum Ge, fosfor P vb.) kimyasal reaksiyona girer.

  • Hidrojen molekülleri, orijinal Si-O-Si veya Ge-O-Si bağlarını kırarak hidroksil ( -OH ) ve diğer yapısal kusurlar oluşturur.
  • Hidroksiller 1383\ \text{nm} 'de çok güçlü bir titreşim soğurma zirvesine sahiptir. Bu reaksiyon yeni kimyasal bağlar oluşturduğundan, geri dönüşümsüzdür. Daha sonra ortamdaki hidrojen gazı tamamen boşaltılsa bile, bu hidroksil kusurları fiber içinde kalıcı olarak kalacak ve bu banttaki optik sinyalin kalıcı olarak engellenmesine (fiberin kalıcı olarak «körleşmesine») neden olacaktır.

II. «Hidrojen Hasarı» Hangi Ortamlarda Kolayca Oluşur?

Normal sivil optik iletişimde, atmosferdeki hidrojen konsantrasyonu çok düşüktür ve «hidrojen hasarı» belirgin değildir. Ancak aşağıdaki zorlu endüstriyel ortamlarda, hidrojen hasarı yüzleşilmesi gereken ciddi bir zorluktur:

  1. Petrol ve Doğal Gaz Derin Kuyuları: Kuyu dibi hidrojen, hidrojen sülfür açısından zengindir ve sıcaklıklar genellikle 100\ ^\circ\text{C} ila 300\ ^\circ\text{C} veya daha yüksek seviyelere ulaşır; bu da hidrojen molekülü difüzyonunu ve kimyasal reaksiyonları büyük ölçüde hızlandırır.
  2. Jeotermal Kuyu İzleme: Yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve zengin hidrojenli aşındırıcı ortamlara eşlik eder.
  3. Yüksek Basınçlı Kablolar ve Özel Kimyasal Boru Hatları: Elektroliz veya kimyasal korozyon sonucu serbest hidrojen üretilir.

III. Endüstriyel Olarak «Hidrojen Hasarı» Nasıl Önlenir ve Çözülür?

Hidrojenin nüfuz etmesini önlemek için, fiber üretim alanında içsel iyileştirme ve dışsal koruma olmak üzere iki ana teknoloji yolu geliştirilmiştir. OFSCN®, bu yüksek riskli ve çok hidrojenli senaryolar için ilgili özel fiber özel üretim çözümlerini sunmaktadır:

1. Dış Koruma: Karbon Kaplama Teknolojisi (Carbon Coating)

Fiberin silisyum dioksit kaplamasının dışına, son derece ince ve son derece yoğun bir karbon kaplama (pirolitik karbon) doğrudan biriktirilir. Bu karbon filmi, su ve hidrojen moleküllerinin nüfuzunu engelleyen fiziksel bir hermetik bariyer oluşturarak uzun süreli hidrojen hasarı koruması sağlar.

2. İç İyileştirme: Saf Silis Çekirdek Teknolojisi (Pure Silica Core)

Çekirdekteki galyum ( Ge ), hidrojen moleküllerinin hidroksillere ( -OH ) dönüşümünü teşvik eden ana katalizör olduğundan, «saf silisyum dioksit çekirdeği» (Pure Silica Core) ve flor katkılı kaplama yapısının kullanılması, fiber içindeki hidrojen gazının neden olduğu kimyasal reaksiyon aktivitesini içsel olarak büyük ölçüde azaltır.

  • Özel Hizmetler: Yukarıda belirtilen OFSCN® poliamid yüksek sıcaklık fiber serisi, varsayılan olarak katkılı çekirdeklere sahip olmasına rağmen, geri dönüşümsüz hidrojen hasarının oluşumunu malzemeden bastırmak için saf silis çekirdeği özelleştirmesi sunar.

3. Aşırı Yüksek Sıcaklık Hermetik Koruması: Altın Kaplamalı Fiber (Gold-coated Optical Fiber)

Aşırı yüksek sıcaklıklarda (örneğin 300\ ^\circ\text{C} ila 700\ ^\circ\text{C} ), geleneksel polimer kaplamalar işlevini yitirir. Bu durumda metal kaplı fiber kullanılabilir. Altın metali ( Au ) mükemmel hermetik sızdırmazlığa sahiptir ve hidrojen ile nemi mükemmel bir şekilde engelleyebilir.