Strålningseffekter på optiska fibrer

När optiska fibrer utsätts för joniserande strålning såsom energiska elektroner , protoner , neutroner , röntgenstrålar , Ƴ-strålning, etc., "skadas" de. Termen "skada" syftar i första hand på den ytterligare förlusten av den fortplantande optiska signalen som leder till minskad effekt vid utgångsänden, vilket kan leda till för tidigt fel på komponenten och/eller systemet.

Beskrivning

I facklitteraturen benämns effekten ofta Radiation Induced Attenuation (RIA). Förlusten av effekt eller "mörkning" uppstår eftersom de kemiska bindningarna som bildar den optiska fiberkärnan störs av den infallande höga energin, vilket resulterar i uppkomsten av nya elektroniska övergångstillstånd som ger upphov till ytterligare absorption i våglängdsområdena av intresse. När strålningskällan har tagits bort, återgår fibern till sitt ursprungliga tillstånd i viss utsträckning (en process som kallas återhämtning).

Skadornas omfattning styrs av balansen mellan defektgenerering (excess attenuation ) å ena sidan och defektförintelse (återhämtning) å andra sidan. Om doshastigheten är låg uppnås ett jämviktstillstånd (mellan dämpning och återhämtning) med en viss grad av mörkning. Tvärtom, om doshastigheten är hög, beror fiberns användbarhet på den totala inducerade dämpningen och återhämtningstiden. Att förstå dessa strålningsinducerade effekter är viktigt särskilt för rymdbaserade applikationer där optiska fibrer övervägs för användning i ett ökande antal applikationer.

Defekter

Inneboende defekter finns i matrisen av ett enkomponentglasmaterial som ren kiseldioxid . Dessa inkluderar per-oxi-kopplingar, POL (≡Si-OO-Si≡) som är syreinterstitialer, och syrebristcentra, ODC (≡Si-Si≡) som är syrevakanser. När de utsätts för joniserande strålning, fångar dessa platser hål för att bilda peroxiradikaler, POR (≡Si-OO.) respektive E'-centra (≡Si.). Dessutom har snabbt kyld kiseldioxid ansträngda ≡Si-O-Si≡-bindningar, som spjälkas vid strålning för att bilda icke-överbryggande syrehålscentra (NBOHC) avbildade som ≡Si-O. och E' centreras genom att fånga hål respektive elektroner. När glaset innehåller en andra nätverksbildare med samma valens som kisel, såsom germanium, gynnar skillnaden i elektronegativitet dopningsmedlet som en hålfälla.

Större skada

Därför uppstår större strålningsskador i dopat kiselglas. För att förbättra strålningsbeständigheten hos kärnfibrer av rena kiseldioxid är det nödvändigt att minimera antalet densitet av dessa inneboende defekter. Minimering av defekter uppnås inte bara genom att minska inkorporeringen av föroreningar i glas utan också genom att kontrollera ingående gassammansättning, optimera glasets termiska historia i alla stadier av fibertillverkningen och optimera spänningen i fiberkärnan. Andra strategier inkluderar inkorporering av dopämnen (såsom fluor) i kärnan som minimerar bildningen av defektcentra som diskuterats ovan.

Optiska fibrer

Alla optiska fibrer genomgår viss mörkning beroende på ett antal faktorer som inkluderar: joniseringstyp, optisk fiberkärnas glassammansättning, arbetsvåglängd, doshastighet, total ackumulerad dos, temperatur och effekt som fortplantar sig genom kärnan. Eftersom dämpningen är sammansättningsberoende, observeras att fibrer med rena kiseldioxidkärnor och fluordopade beklädnader är bland de hårdaste fibrerna. Närvaron av dopämnen i kärnan såsom germanium , fosfor , bor , aluminium , erbium , ytterbium , thulium , holmium etc. äventyrar strålningshårdheten hos optiska fibrer. För att minimera skadekonsekvenserna är det bättre att använda en kärnfiber av ren kisel med högre driftvåglängd, lägre doshastighet, lägre total ackumulerad dos, högre temperatur (accelererad återhämtning) och högre signaleffekt (fotoblekning). Utöver dessa inneboende steg kan extern ingenjörskonst krävas för att skydda fibern från effekterna av strålning.

Kärnfibrer

Germaniumdopade kärnfibrer kan vara strålningshårda även vid höga koncentrationer av germanium. Sådana fibrer når mättnad, härdar väl vid högre temperaturer och är också känsliga för fotoblekning. Vid fosfordopade kärnfibrer ökar dämpningen linjärt med ökande fosforhalt och dessa fibrer blir inte mättade. Återhämtning är mycket svår även vid högre temperaturer. Bor, aluminium och alla dopämnen av sällsynta jordartsmetaller påverkar fiberförlusten avsevärt.

Strålningsprestanda för olika SM-, MM- och PM-fibrer tillverkade av olika leverantörer som testats i många olika strålningsmiljöer har sammanställts.