Pourquoi la fibre optique noircit-elle dans les centrales nucléaires, des environnements où il y a des radiations ? Peut-elle encore transmettre des signaux une fois noircie ?
Dans les environnements où les rayonnements à haute énergie (tels que les rayons \gamma , les neutrons, les rayons X, etc.) sont présents, comme dans les centrales nucléaires, le phénomène de « noircissement » de la fibre optique est appelé effet de centre coloré (Color Center Effect) en optique, et le processus d’atténuation optique qui en résulte est appelé atténuation induite par irradiation (Radiation-Induced Attenuation, d’où l’acronyme RIA).
I. Mécanismes physiques du « noircissement » des fibres optiques (effet de centre coloré)
Les fibres optiques sont principalement constituées de verre de silice de haute pureté ( \text{SiO}_2 ), dont le cœur est généralement dopé avec des éléments tels que le germanium ( \text{Ge} ), le bore ( \text{B} ) ou le phosphore ( \text{P} ) pour ajuster l’indice de réfraction. Lorsque des particules ou des rayons de haute énergie traversent la fibre optique, les processus physiques suivants se produisent principalement :
- Rupture de liaisons chimiques et ionisation : Le rayonnement de haute énergie détruit les liaisons covalentes (telles que les liaisons \text{Si}-\text{O} ou \text{Ge}-\text{O} ) dans le réseau de silice et de dopage, excitant et libérant une grande quantité d’électrons et de trous libres.
- Piégeage des défauts et formation de centres colorés : Ces électrons ou trous libres sont piégés par des sites de niveaux d’énergie formés par des défauts de réseau, des liaisons insaturées ou des impuretés de dopage dans le verre, formant des centres de défaut chargés avec des structures de niveaux d’énergie spécifiques, appelés « centres colorés » (tels que le centre E' , le centre lacunaire d’oxygène non pontant NBOHC, etc.).
- Absorption sélective du spectre : Les centres colorés créent des bandes d’absorption fortes supplémentaires dans certaines bandes spectrales spécifiques (principalement l’ultraviolet, le visible et le proche infrarouge). Observé à l’œil nu, le milieu vitreux perd sa transparence d’origine et devient progressivement plus sombre, voire noir ; lors des mesures de transmission optique, cela se traduit par une augmentation significative de la perte de transmission (atténuation).
II. La transmission des signaux optiques est-elle possible après le noircissement ?
La possibilité de continuer à transmettre des signaux après le noircissement de la fibre dépend de l’ampleur de l’atténuation induite par irradiation ( \Delta \alpha ), de la distance de transmission optique ( L ) et de la plage dynamique du récepteur optique :
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Fibres optiques dopées standard (par exemple, fibre dopée au germanium conventionnelle G.652D) :
À mesure que la dose cumulée de rayonnement augmente, la densité des centres colorés à l’intérieur des fibres ordinaires augmente rapidement, et leur coefficient d’atténuation peut augmenter de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de dB/km. Le signal optique est absorbé avant d’avoir parcouru une courte distance, entraînant une interruption du signal dans les systèmes de communication optique ou de détection, ce qui rend la transmission normale impossible. -
Fibres spéciales résistantes aux radiations (par exemple, fibres à cœur de silice pure) :
L’utilisation d’une structure à cœur de silice pure (Pure Silica Core, PSC), où le cœur ne contient pas d’éléments comme le germanium qui sont susceptibles de former des précurseurs de centres colorés, peut considérablement supprimer la formation de centres colorés. Dans les mêmes conditions de dose de rayonnement, l’augmentation de la RIA des fibres à cœur de silice pure est maintenue à un faible niveau, ce qui permet une transmission stable continue des signaux optiques. De plus, une exposition à une lumière intense (effet de photoblanchiment) ou une élévation de la température (effet de recuit thermique) peut aider à la recombinaison de certains défauts de centres colorés, réduisant ainsi la perte d’absorption de la fibre.
III. Produits officiels OFSCN® et personnalisation à cœur de silice pure
Pour les applications dans des environnements industriels complexes tels que l’irradiation et les hautes températures, les fibres spéciales fournies par Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) peuvent être personnalisées avec un cœur de silice pure pour répondre aux besoins de transmission et de détection optiques résistantes aux radiations :
- OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber : Utilise une gaine en polyimide résistant aux hautes températures, avec une plage de température de fonctionnement de -200℃ à 350℃. Le cœur est dopé par défaut, mais une personnalisation à cœur de silice pure est possible.
- OFSCN® Gold-coated Optical Fiber : Utilise une gaine plaquée or, avec une plage de température de fonctionnement de -270℃ à 700℃. Le cœur est dopé par défaut, mais une personnalisation à cœur de silice pure est possible.
