石英光纤抗辐照加固的研究

上海交通大学学报JOURNAL OF SHANGHAIJIAOTONG UNIVERSITY2000 V ol.34 No.2 P.215-217石英光纤抗辐照加固的研究李荣玉殷宗敏王建华刘锐摘要：研究了石英光纤辐照后的损耗，讨论了石英光纤抗辐射加固的方法，得出了石英光纤中有色离子(如Fe、Cr、Mn、Cu、Co、Ni等)不利于抗辐照的结果.由于光纤辐照后的恢复特性，辐射引起的损耗与辐照剂量速率有关，辐照剂量速率越大，它承受的总剂量越小；且实验研究发现，预辐照对提高光纤的抗辐照性能有好处.关键词：石英光纤；辐照；损耗分类号：TN 25文献标识码：A文章编号：1006-2467(2000)02-0215-03Research on Anti-Radiation of Silica FiberLI Rong-yu YIN Zong-min W ANG Jian-hua LIU Rui （National Lab. on Local Fiber-Optic Comm. Networks & Advanced Optical Comm. Systems, Inst. of Optical Fiber Tech., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, China）Abstract：The radiation induced loss in silica fiber was studied and the way on anti-radi ation of silica fiber was discussed. It shows that the colourated positive ions (for example Fe, Cr, Mn, Cu, Co, Ni) in the silica fiber is harmful to the anti -radiation of silica fiber. Because the recovery begins as soon as the radiatio n induced loss begins, the faster the dose rate is, the smaller the total dose i s when the fiber is of failure. The experiment indicates that the pre-irradiati on of fiber is of advantage for the anti-radiation of fiber. The results are he lpful for the use of silica fiber in radioactive environments.Key words：silica optical fiber; radiation; loss▲光纤由于其损耗低、速率高、体积小、质量轻和抗静电干扰等优点，在通信领域已得到广泛应用.随着光纤技术的发展，它在非通信领域也越来越得到重视，特别在一些特殊环境中，如航天技术、核爆炸测试、核反应堆监测、医用内窥镜的γ-射线消毒和等离子条件下聚变反应堆的光束等方面，都应用光纤作为传输光的介质.但光纤在上述领域的应用，需要解决光纤的抗辐照问题，即光纤在一定剂量的辐照以后，在应用波段范围内光透过率不降低或下降较少，以往这方面的研究较少.本文分析了光纤辐照后的损耗原因并提出抗辐照加固的方法，为光纤在辐射环境下的应用提供依据.1 石英光纤辐射损耗石英光纤在高能辐射作用下，可以使光纤芯石英玻璃发生物理和化学变化(变色、变硬、变脆、分解、破坏等)，在石英芯内产生各种缺陷(点缺陷、位错、色心)，从而使光纤的光传输性能恶化.主要表现为：(1) 形成色心，光纤变黑，在可见光波段损耗迅速，甚至激发荧光；(2) 中等剂量的辐射会引起光纤内部玻璃密度的变化及相应折射率的变化，从而使光纤折射率分布指数改变，影响光纤的传输特性及带宽；(3) 使光纤有机物涂覆层变质，影响光纤的机械强度和耐磨性能，高剂量辐射会引起有机包层变脆，使有机包层光纤的界面损耗增大；(4) 一定剂量的辐射后会引起光纤芯玻璃键结构的变化，使光纤吸收红外光谱的性能发生变化.以上最主要的表现是第一种，因为石英玻璃中含有杂质离子(Cl、OH和着色离子)，产生杂质吸收损耗，特别是Fe、Cr、Mn、Cu、Co、Ni、Pb等着色离子，在较高剂量辐照条件下，光纤中部分自由电子会被这些着色离子捕获，从而在光纤中形成“色心”，形成新的吸收带［1］，在可见光波段出现较大损耗，甚至不透光；Cl离子在紫外波段吸收损耗明显；OH离子在浓度低时，对辐射有保护作用，但浓度高了，光纤固有损耗增加.2 抗辐射加固方法2.1 辐射总剂量及辐照速率的影响辐射总剂量H越大，传输损耗越大.因为剂量越大，电离出来的电子越多，石英芯内形成的缺陷也越多，容易形成更多的吸收带；H越大，对光纤损伤越严重，下，直径0.7 当达到一定剂量时，甚至会使光纤“折断”.图1为在不同剂量速率Jamm，λ=632.8 nm的石英光纤(裸纤，OH根含量10-4)的吸收损耗曲线(q为单位长度的吸收损耗)，曲线垂直上升，即说明光纤“折断”.图1 不同剂量速率下的吸收损耗曲线Fig.1 Radiation induced attenuation for different dose rate由于石英光纤存在辐射恢复效应，即辐射引起的损耗在一定温度下随着时间的延长而渐渐消退［2］.辐射恢复效应的原理主要是辐射造成的晶格损伤由于“热”和“光”的作用，而使得损伤的晶格得到恢复.一般地，当一定剂量辐射源辐照到石英光纤上，辐射损耗开始形成的同时，恢复效应也开始.因此，在相同总剂量的条件下，剂量速率越快，辐射恢复的时间越短，由辐射引起的累积损耗就越高，光纤承受的辐射总剂量较低；反之，光纤所能承受的辐射总剂量也越高.由图1可见，不同剂量速率辐射，光纤“折断”时的总剂量也不同，速率低，后折断；速率高，先折断.当然，温度与辐射恢复也有关系，温度越高，恢复越快，一般称为热退火.另外，如果光纤中一直有光通过时，也有利于辐射恢复，称为光退火.光功率越强，波长越短，光退火越明显.在低温时，光退火的作用比热退火的作用要明显.2.2 光纤材料的组分控制光纤的成分不同对辐射影响是不一样的.对于石英光纤，由于主要成分是石英，故成分的影响主要体现在掺杂离子的影响上.前面已经提到，石英中掺有着色离子，辐照后会形成色心，造成光纤极大的损耗，因此在制造光纤时，必须严格控制着色离子的含量.图2所示为用两种不同的光纤所做的试验(剂量1×104Gy，Q为吸收损耗).其中曲线1为不含着色离子且OH根和Cl根含量小于5×10-6；曲线2为含着色离子.由图可见，不含着色离子，且OH离子和Cl离子含量较少的光纤，因抗辐射能力较强；一般的国产光纤，因含有着色离子，它在可见光波段抗辐射能力较差.当然，并不是石英光纤中杂质离子越少越好，在光纤中如果含有不着色元素的正离子，如Ce、As、Sb等，则辐照时引起的自由电子首先和这些离子反应，形成无色原子，这样，光纤在辐照后就不会增加新的损耗，因此这些离子反而有利于光纤抗辐照.图2 不同掺杂光纤辐射后的光谱分布曲线Fig.2 Spectral distribution for different impurity in fiber afterradiationOH根离子对光纤有一定的保护作用，但OH根离子浓度太高，光纤的固有损耗也高，因此需要选择合适的OH根含量.但必须注意，OH根离子浓度高，其更容易出现折断现象［3 ］.一般情况下，我们仍然不希望光纤中含有OH根离子，或尽可能减少.2.3 对光纤进行预辐照对光纤先进行较高剂量的预辐射，经过相当长时间，等光纤基本恢复后，光纤再受辐射作用时敏感性降低，称为辐射硬化.被辐射过的光纤与没有预辐射的光纤同时进行相同剂量相同速率的辐照时，其辐射引起的损耗，前者比后者可低2～3倍［4］.本文也进行了这方面的实验，图3所示为总剂量为1×104 Gy的已预辐射和没有预辐射的相同光纤(有氟涂层)再次辐射后的光谱分布.显而易见，预辐射的光纤其抗辐射的性能明显要好.图3 已预辐照和没有预辐照的光纤辐照后的光谱分布曲线Fig.3 Spectral distribution for pre-irradiation fiber and nopre-irradiation fiber after radiation2.4 其他光纤的外涂层对其抗辐射的影响也较大，如果光纤外覆涂含氟聚合物，辐射时不容易出现“ 折断”现象.如果在含氟涂层的光纤外再加保护套(如铜网)，则可大大提高其抗辐射性能.另外，在使用光纤时，如果条件允许，应尽可能使用波长较高的波段.实验证明，石英光纤波长越高，辐射引起的损耗越低；芯径大的光纤，其抗辐射的性能也比芯经小的好，且光退色作用更显著.3 结语对光纤在制造及使用过程中进行一系列的加固处理，可以使得光纤能够应用于较高辐照剂量的环境中，这对光纤在航空航天、核试验及核电站等方面的应用，提供了可靠的依据.致谢辐照试验得到中国科学院上海原子核研究所李祖光高级工程师的支持，在此表示感谢.■作者简介：李荣玉(1963～)，男，副教授.作者单位：李荣玉（上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，光纤技术研究所，上海200030）殷宗敏（上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，光纤技术研究所，上海200030）王建华（上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，光纤技术研究所，上海200030）刘锐（上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，光纤技术研究所，上海200030）参考文献［1］殷宗敏，李新碗，李荣玉.特种光纤辐照总剂量效应研究［J］.光纤与光缆及其应用技术，1997，(3)：23～25.［2］Liu D T H, Johnston A R. Theory of radiation-induced absorption in optical fibers ［J］. Optics Letters, 1994,19(8):548～550.［3］Coenen S, Decréton M. Feasibility of optical sensing for robotics in highly radioactive environments ［J］. IEEE Transactions on Nuclear Science, 19 93,40(4):851～856.［4］Griscom D L. Radiation hardening of pure-silica-core optical fibers by ultra-high-dose λ-ray pre-irradiation ［J］. J Appl Phys, 1995,77(10):5 008～5013.收稿日期：1999-03-12请看PDF全文。