Wie können Jumper-Materialien in Kernkraftwerksumgebungen Verfärbungen und erhöhten Verschleiß durch Strahlung verhindern?
In extremen Umgebungen wie Kernkraftwerken, die starker Strahlung, hohen Temperaturen und komplexen physikalischen Feldern ausgesetzt sind, sind herkömmliche Glasfaser-Patchkabel aufgrund von Materialbeschränkungen anfällig für strahlungsinduzierte Dämpfung (Radiation-Induced Attenuation, RIA) und Materialversprödung mit Farbveränderung, was zu Unterbrechungen der optischen Signalübertragung führt.
Um Farbveränderungen und erhöhte Dämpfung von Glasfasern und Kabeln durch Strahlung zu verhindern, werden in der optischen Ingenieurwissenschaft hauptsächlich physikalische und chemische Mechanismen wie mikroskopische Modifikation des Kernmaterials, Schutz durch spezielle Beschichtungen und vollständig metallische, anorganische Armierung eingesetzt, um strahlenhärtende Eigenschaften (Radiation Hardness) zu erzielen.
I. Physikalische Mechanismen der strahlungsinduzierten drastischen Faserverluste und Farbveränderungen
- Bildung von Farbzentren (Color Centers):
Unter dem Einfluss starker ionisierender Strahlung in Kernkraftwerken (wie \gamma-Strahlen, Neutronenflüsse, \beta-Teilchen) brechen oder ionisieren die Gitterstrukturen von Siliziumdioxid (\text{SiO}_2) in der Glasfaser, wodurch Gitterfehler entstehen (z. B. E' Farbzentren, Non-Bridging Oxygen Hole Centers NBOHC). - Rotverschiebung des Absorptionsspektrums:
Diese neu gebildeten Defekte (Farbzentren) absorbieren Licht bestimmter Wellenlängen stark. Ihre Absorptionsspitzen liegen hauptsächlich im ultravioletten und sichtbaren Bereich (dies ist der Grund für die makroskopische „Farbveränderung“ oder Schwarzfärbung der Faser). Diese Absorptionsbänder erstrecken sich jedoch bis in den nahen Infrarotbereich (z. B. Kommunikationsbänder bei 1310 nm und 1550 nm), was zu einem drastischen Anstieg der Übertragungsdämpfung der Faser bei der Betriebswellenlänge führt. - Negative Auswirkungen von Verunreinigungen und Dotierstoffen:
Der Kern gewöhnlicher Monomodenfasern (wie G.652D) ist typischerweise mit Germanium (Ge) dotiert, um den Brechungsindex zu erhöhen. Germanium fängt unter Bestrahlung leicht Elektronen oder Löcher ein und bildet eine große Anzahl von Germanium-assoziierten Farbzentrumdefekten, wodurch die RIA der Faser drastisch ansteigt.
II. Kernmateriallösungen zur Verbesserung der Strahlenhärte von Glasfasern und Kabeln
Um RIA und Materialalterung wirksam zu unterdrücken, müssen bei der Materialauswahl für hochrangige strahlenharte Glasfaser-Patchkabel folgende physikalische und materialwissenschaftliche Methoden angewendet werden:
1. Anwendung der „Reinsiliziumkern“-Technologie (Pure Silica Core, PSC)
- Prinzip:
Fasern mit einem Reinsiliziumkern enthalten keine Germaniumdotierung im Kern, sondern bestehen ausschließlich aus hochreinem synthetischem Quarzglas (amorpher \text{SiO}_2). Da keine Verunreinigungspräkursoren vorhanden sind, wird die Bildungsrate von Farbzentren unter Bestrahlung stark unterdrückt. - Brechungsindexanpassung:
Um eine lichtleitende Struktur zu bilden, wird der Mantel der Reinsiliziumkernfaser mit Fluor (F) dotiert. Der fluorierte Mantel weist ebenfalls eine extrem hohe Beständigkeit gegen Strahlung auf.
2. Einführung von „Kohlenstoffbeschichtung“ und „Wasserstoff/Deuterium-Beladung“-Technologie
- Prinzip:
Während des Faserziehprozesses wird eine dichte Kohlenstoffbeschichtung (Carbon Coating) auf die Faseroberfläche aufgetragen. Diese Kohlenstoffbeschichtung schützt vor äußeren Feuchtigkeitseinflüssen und kann mit speziellen Wasserstoff- (\text{H}_2) oder Deuterium- (\text{D}_2) Beladungsprozessen kombiniert werden. Wasserstoffmoleküle können in den Faserkern diffundieren und mit strahlungsinduzierten hängenden Bindungen (Dangling Bonds) reagieren, um Defekte zu passivieren und Farbzentren zu beseitigen, wodurch das Wachstum von RIA unterdrückt wird.
3. Nutzung des Hochtemperatur-In-situ-Effekts der „thermischen Ausheilung“ (Thermal Annealing)
- Prinzip:
In der Hochtemperaturumgebung von Kernkraftwerken werden Farbzentrumdefekte durch Wärmezufuhr rekonfiguriert oder ausgelöscht, ein Phänomen, das als „thermische Ausheilung“ bezeichnet wird. Durch die Verwendung spezieller Beschichtungen wie Polyimid (Polyimide), die hochtemperaturbeständig sind, können Glasfasern bei hohen Betriebstemperaturen langfristig betrieben werden. Die Umgebungstemperatur wird genutzt, um Farbzentren dynamisch vor Ort zu reparieren, sodass die strahlungsinduzierte Dämpfung im stationären Zustand auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten wird.
4. Verzicht auf Polymer-Außenmäntel, Verwendung von Vollmetallarmierung
- Prinzip:
Herkömmliche Polymerummantelungen wie PVC, PE oder LSZH (Low Smoke Zero Halogen) brechen und vernetzen unter starker Bestrahlung, wodurch die Materialien härter werden, reißen oder sogar pulverisieren. Daher müssen Patchkabel für Kernkraftwerke Vollmetall-anorganische Strukturen (wie nahtlose Edelstahlrohre und Stahldrahtgeflechte) verwenden, um ein Versagen der physikalischen Unterstützung aufgrund von Alterung organischer Materialien vollständig zu vermeiden.
III. Strahlen- und Hochtemperaturbeständige Produkte von Dachengshengshang (OFSCN®)
Basierend auf den oben genannten physikalischen Mechanismen bietet Beijing Dachengshengshang Technology Co., Ltd. (OFSCN®) eine Reihe von Spezialglasfaser- und Glasfaserkabelprodukten an, die auf kundenspezifischer Reinsiliziumkern (Pure Silica Core) Technologie, Polyimidbeschichtung und nahtloser Edelstahlrohrverkapselung basieren und sich ideal für physikalische Umgebungen mit hohen Strahlungs- und mechanischen Schutzanforderungen wie Kernkraftwerke eignen.
1. Spezielle strahlenharte Glasfaser-Patchkabel
Für Hochtemperatur- und Hochstrahlungsbereiche bietet Dachengshengshang vollmetallisch und anorganisch verkapselte Spezial-Patchkabel an:
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OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord: Dieses Patchkabel besteht aus Edelstahlanschlüssen, einem 0,9 mm nahtlosen Edelstahlrohr und einer 300℃ Polyimidfaser; es enthält keine leicht alternden Kunststoff-Außenmäntel. Der Kern kann standardmäßig als Reinsiliziumkern gefertigt werden und hält Umgebungen mit Kernstrahlung effektiv stand.
Standardprodukt-Standardbilder:
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OFSCN® 200℃ Fiber Optic Patch Cord: Ebenfalls mit einem 0,9 mm nahtlosen Edelstahlrohr verpackt, beherbergt es eine 200℃ Polyimidfaser, die zu einem Reinsiliziumkern angepasst werden kann, und kombiniert so hervorragende Temperaturbeständigkeit mit guter Beständigkeit gegen strahlungsbedingte Alterung.
2. Spezielle strahlenharte blanke Glasfasern (unterstützt Reinsiliziumkern- und Kohlenstoffbeschichtungsanpassung)
Für Szenarien, die eine eigenständige Montage erfordern oder als Systemfasern verwendet werden, können folgende Spezialfasern mit mikroskopischer Modifikation gewählt werden:
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OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber (Hochtemperatur-Monomoden-Polyimidfaser): Standardmäßig wird ein dotierter Kern verwendet, aber kundenspezifische Reinsiliziumkerne und zusätzliche Kohlenstoffbeschichtungen sind für strahlenharte Anforderungen erhältlich. Die Polyimidbeschichtung kann in Umgebungen von -200℃ bis 350℃ arbeiten und erleichtert die Nutzung des Hochtemperatur-Thermal-Annealing-Mechanismus zur Unterdrückung von RIA.
Standardprodukt-Standardbilder:
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OFSCN® 300℃ MM Polyimide Optical Fiber (Hochtemperatur-Multimoden-Polyimidfaser): Unterstützt ebenfalls kundenspezifische Reinsiliziumkerne und Kohlenstoffbeschichtungen, um strahlungsfeste Übertragungsanforderungen für Breitband- oder Multimodus-Sensorsignale zu erfüllen.
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OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber (200℃ Polyimidfaser): Unterstützt kundenspezifische Reinsiliziumkerne.
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