Почему обычное оптоволокно быстро чернеет и выходит из строя на атомных электростанциях?
tool_3:
В суровых условиях сильного ионизирующего излучения, таких как на атомных электростанциях, обычное оптическое волокно быстро чернеет и выходит из строя из-за явления радиационного затухания (Radiation-Induced Attenuation, RIA), известного из физической оптики.
I. Физический механизм и причина почернения
Обычные телекоммуникационные оптические волокна (например, стандартные одномодовые оптические волокна \text{G.652D}) обычно используют диоксид кремния (\text{SiO}_2) в качестве основного материала и легируют диоксидом германия (\text{GeO}_2) в сердцевине для повышения показателя преломления. Когда они подвергаются воздействию гамма-лучей, рентгеновских лучей или быстрых нейтронов вблизи ядерного реактора, происходят следующие микроскопические процессы:
- Разрыв химических связей и образование дефектов: Когда высокоэнергетические частицы излучения или фотоны проникают в оптическое волокно, они передают ионизирующую энергию кристаллической решетке волокна, разрушая ковалентные связи \text{Si}-\text{O} и \text{Ge}-\text{O}, создавая ненасыщенные связи, свободные электроны и дырки.
- Образование центров окраски (Color Centers): Свободные электроны или дырки захватываются дефектами кристаллической решетки в стекловидной структуре диоксида кремния, а также легирующими элементами (такими как германий \text{Ge}, железо, группы OH и т. д.), образуя центры окраски со специфической энергетической структурой.
- Поглощение света и почернение: Эти центры окраски обладают очень сильными широкополосными полосами поглощения света в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Макроскопически материал оптического волокна резко увеличивает поглощение видимого света, проявляя физический феномен «постепенного потускнения или даже почернения»; в диапазонах связи и зондирования (например, 1310\text{nm} и 1550\text{nm}) коэффициент затухания оптического волокна (\text{dB/km}) возрастает на несколько порядков, что приводит к быстрому поглощению передаваемого оптического сигнала и мгновенному отказу оптического волокна.
II. Материальный дизайн радиационно-стойких оптических волокон (Radiation-Hardened Optical Fiber)
Для подавления образования центров окраски и противодействия радиационному затуханию, радиационно-стойкие оптические волокна имеют целенаправленные оптимизации в материале и структуре:
- Сердцевина из чистого диоксида кремния (Pure Silica Core, PSC): Полностью исключаются легирующие примеси, такие как германий (\text{Ge}), в сердцевине, что изначально уменьшает точки захвата электронов/дырок.
- Оболочка, легированная фтором (Fluorine-doped Cladding): Легирование оболочки фтором (\text{F}) снижает показатель преломления оболочки, поддерживая условия полного внутреннего отражения для оптоволокна, при этом сердцевина остается из чистого диоксида кремния.
- Обработка водородом/пассивация дефектов: Устранение точечных дефектов, образующихся в процессе вытяжки оптоволокна, посредством специальных процессов, повышая предел устойчивости к излучению.
- Покрытие для суровых условий: Помимо излучения, атомные электростанции часто сопровождаются сильным тепловым излучением или высокими температурами, поэтому требуется использование полиимида (Polyimide) или металлического покрытия (например, золотого напыления) для обеспечения долгосрочной стабильности физической структуры.
III. Специальные оптические волокна Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Для экстремальных промышленных условий, таких как высокая радиация и высокие температуры, линейка специальных оптических волокон Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) поддерживает изготовление на заказ с сердцевиной из чистого кварца (Pure Silica Core) для снижения скорости затухания в радиационной среде:
Более подробную информацию о классификации специальных оптических волокон и технических параметрах можно найти по адресу: OFSCN® Special Optical Fibers.