Почему оптоволокно в таких радиационно-опасных местах, как атомные электростанции, чернеет? Может ли оно передавать сигнал после почернения?
В условиях высокой радиации (например, \gamma -излучения, нейтронного излучения, рентгеновского излучения и т. д.), присутствующей в таких средах, как атомные электростанции, явление «потемнения» оптического волокна называется эффектом цветовых центров (Color Center Effect) в оптической инженерии, а вызываемый им процесс оптического затухания — радиационно-индуцированным затуханием (Radiation-Induced Attenuation, сокращенно RIA).
I. Физический механизм «потемнения» оптического волокна (эффект цветовых центров)
Оптическое волокно в основном состоит из стекла с высокой чистотой диоксида кремния ( \text{SiO}_2 ), а в сердцевину обычно добавляют такие элементы, как германий ( \text{Ge} ), бор ( \text{B} ) или фосфор ( \text{P} ) для регулирования показателя преломления. Когда высокоэнергетические частицы или высокоэнергетическое излучение проходят через оптическое волокно, происходят следующие основные физические процессы:
- Разрыв химических связей и ионизация: Высокоэнергетическое излучение разрушает ковалентные связи (например, связи \text{Si}-\text{O} или \text{Ge}-\text{O} ) в сети диоксида кремния и легирующих добавок, возбуждая и высвобождая большое количество свободных электронов и дырок.
- Захват дефектов и образование цветовых центров: Эти свободные электроны или дырки захватываются локациями энергетических уровней, образованными дефектами кристаллической решетки, ненасыщенными висячими связями или примесями легирующих добавок внутри стекла, образуя заряженные дефектные центры со специфической структурой энергетических уровней, то есть «цветовые центры» (например, E' -центры, немостиковые кислородные дырочные центры NBOHC и т. д.).
- Спектральное селективное поглощение: Цветовые центры создают дополнительные сильные полосы поглощения в определенных спектральных диапазонах (в основном в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах). Макроскопически, при наблюдении невооруженным глазом, стекло теряет свою первоначальную прозрачность и постепенно темнеет, становится черным; при измерениях оптической передачи это проявляется в значительном увеличении потерь при передаче (затухания).
II. Возможно ли дальнейшее распространение оптического сигнала после потемнения?
Возможность дальнейшего распространения сигнала после потемнения оптического волокна зависит от величины радиационно-индуцированного затухания ( \Delta \alpha ), расстояния оптической передачи ( L ) и динамического диапазона оптического приемника:
-
Стандартные легированные оптические волокна (например, обычные легированные германием волокна G.652D):
При увеличении накопленной дозы облучения плотность цветовых центров во внутренних частях обычных оптических волокон быстро растет, а коэффициент затухания может увеличиваться на десятки или сотни \text{dB/km} . Оптический сигнал поглощается почти полностью на небольшом расстоянии, что приводит к прерыванию сигнала в системах оптической связи или датчиках, и нормальная передача не может поддерживаться. -
Специальные радиационно-стойкие оптические волокна (например, оптические волокна с чисто кварцевой сердцевиной):
При использовании структуры с чисто кварцевой сердцевиной (Pure Silica Core, PSC), когда в сердцевине не легируются элементы, такие как германий, которые легко образуют предшественники цветовых центров, образование цветовых центров может быть в значительной степени подавлено. При той же дозе облучения увеличение RIA в оптических волокнах с чисто кварцевой сердцевиной контролируется на низком уровне, и оптический сигнал может продолжать стабильно передаваться. Кроме того, интенсивное освещение (эффект фотовыцветания) или повышение температуры (эффект термического отжига) также способствуют рекомбинации некоторых дефектов цветовых центров, снижая потери поглощения в оптическом волокне.
III. Официальные продукты OFSCN® и заказные оптические волокна с чисто кварцевой сердцевиной
Для применений в сложных промышленных условиях, таких как радиационное облучение и высокие температуры, специальные оптические волокна, предлагаемые Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), могут быть изготовлены на заказ с чисто кварцевой сердцевиной для удовлетворения потребностей в радиационно-стойкой оптической передаче и датчиках:
- OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber: Использует термостойкое полиимидное покрытие, рабочий диапазон температур составляет от -200℃ до 350℃, сердцевина по умолчанию легирована, возможен заказ с чисто кварцевой сердцевиной.
- OFSCN® Gold-coated Optical Fiber: Использует покрытие из золота, рабочий диапазон температур составляет от -270℃ до 700℃, сердцевина по умолчанию легирована, возможен заказ с чисто кварцевой сердцевиной.
