CC BY
12
УДК 535.341
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗАТУХАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Сергей Николаевич Шарангович
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40, кандидат физико-математических наук, профессор кафедры сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники, тел. (382)241-36-43, e-mail: shr@tusur.ru
Кирилл Владимирович Заичко
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 40, аспирант, e-mail: zaichkokv@gmail.com
Представлены результаты расчета оптического затухания в оптическом волокне при воздействии различных доз ионизирующего излучения (на основе экспериментальных данных). Определены предельные значения факторов, которые воздействуют на оптическое волокно. Дана численная оценка пределов работоспособности оптического волокна.
Ключевые слова: оптическое волокно, оптическое затухание, ионизирующее излучение, космический аппарат.
NUMERICAL SIMULATION OF THE SIZE OF DIFFICULTY OF THE OPTICAL FIBER UNDER INFLUENCE OF VARIOUS DOSES OF IONIZING RADIATION
Sergei N. Sharangovic
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Prospect Lenin St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D., Professor, Department of Superhigh-Frequency and Quantum Radio Engineering, phone: (382)241-36-43, e-mail: shr@tusur.ru
Kirill V Zaichko
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Prospect Lenin St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D. Student, e-mail: zaichkokv@gmail.com
The results of calculation of optical damping under the action of ionizing radiation of various doses are presented on the basis of experimental data. The limiting values of the factors that affect the optical fiber are determined. A numerical estimate of the limits of optical fiber performance is given.
Key words: optical fiber, optical attenuation, ionizing radiation, spacecraft.
Важнейшей характеристикой оптических волокон (ОВ), используемых в космических аппаратах (КА) с длительным сроком работы, являются оптические потери. Они определяют дальность связи по ОВ и его эффективность.
Цель работы - произвести численное моделирование влияния ионизирующего излучения на оптическое затухание в ОВ.
Из источника [1] известна зависимость затухания в ОВ от поглощенной дозы ионизирующего излучения. Эта зависимость в графической форме представлена на рис. 1.
мин
Облучение Релаксация
Рис. 1. Зависимость радиационно-наведенного поглощения (РНП) от времени облучения (максимальная доза 5,5*104 рад) [1]
Быстрый рост концентрации центров окраски на начальных стадиях облучения связан с заполнением носителями зарядов ловушек, исходно имеющихся в оптическом материале, а снижение скорости накопления центров окраски на последующих стадиях облучения может быть обусловлено несколькими факторами. Во-первых, число ловушек, ещё не заполненных носителями зарядов, постепенно уменьшается, поскольку заполненные ловушки перестают конкурировать с незаполненными за захват носителей. Во-вторых, такую конкуренцию незаполненным ловушкам начинают оказывать уже возникшие центры окраски: дырочные центры - за захват электронов, а электронные - за захват дырок. И в том, и в другом случаях имеет место процесс исчезновения центров окраски в результате рекомбинации свободных носителей заряда с носителями противоположного знака, захваченными на соответствующих ловушках [2].
Для определения величины затухания в ОВ при воздействии больших доз излучения, проведем аппроксимацию экспериментальных данных источника [1].
В источнике [2] указано кинетическое уравнение процесса накопления РЦО, полученное для случая неизменной мощности дозы в ходе облучения:
^ = [(N - п)р - п(q + qT )]Ж, (1)
где N - концентрация ловушек, на которых образуются центра окраски; / - длительность облучения;
р - вероятность возникновения центра окраски при захвате носителя заряда;
д - вероятность разрушения центра окраски под действием излучения; дТ - вероятность термического разрушения центра окраски при температуре Т .
Из всего сказанного выше следует, что накопление РЦО включает три процесса [1-2]: возникновение центров окраски из ловушек, существующих в материале до воздействия излучения, возникновение РЦО из ловушек, возникших в процессе облучения, разрушение РЦО. Очевидно, что каждый из процессов характеризуется собственной постоянной времени, обозначим их как Ь1, Ь2 и Ь3
, соответственно.
Модель, приведенная в [2] не описывает затухание, она описывает изменение концентрации РЦО. Для того чтобы описать затухание введем весовые ко -эффициенты пропорциональности, показывающие вклад каждого из процессов
изменения концентрации РЦО в затухание (п1. сывающее РНП, примет следующий вид:
п
п3). Тогда, уравнение, опи-
атеор = п • (1 - е-Ш) + П2 • (1 - е-Ь2) - пз • (1 - е-Ь3)
(2)
Результат аппроксимации экспериментальных данных из [1] уравнением (2) показан на рис. 2.
Рис. 2. Результат численного моделирования
Полученное уравнение описывает кинетику изменения затухания при воздействии ионизирующего излучения на ОВ. Для определения величин затуха-
ния при дозах 30 Мрад, 300 Мрад, и 600 Мрад, необходимо определить времена, при которых данные дозы будут достигнуты при неизменной мощности дозы излучения. Выразим величину мощности дозы облучения:
М = у- • (3)
Тогда, для каждой дозы можно определить время облучения:
Ь = В • Т0, (4)
и0
где В^ - величина дозы;
В0 - величина дозы экспериментальная [1];
Т0 - время облучения [1].
Расчетные времена облучения представлены в табл. 1.
Таблица 1
Значение длительности облучения и соответствующие им дозы.
В1, Мрад 30 300 600
^, сек 6,545 • 105 6,545 • 106 1,309 • 107
Подставим полученные значения в уравнение атеор, по которому осуществлялась аппроксимация и получим величину затухания при различных дозах облучения, см. табл. 2.
Таблица 2
Величина затухания при различной мощности дозы облучения.
В1, Мрад 30 300 600
атеор ( Ч\ дБ/км 9,329 9,329 9,329
Оценка показывает, что при заданных дозах затухание в ОВ стационарно и составляет 9,329 дБ/км.
Стоит отметить, что приведенные расчетные значения затухания (табл. 2) получены для условий испытания ОВ в экспериментальной установке, аналогичной приведенной в [1], в течение времен, указанных в табл. 2. В условиях кос -мического пространства, дозы (30 Мрад, 300 Мрад и 600 Мрад для разных условий радиационной защиты) накапливаются в элементах КА в течение 25 лет его работы. Иллюстрация зависимости РНП от поглощенной дозы, рассчитанной по выражению (2) (в логарифмическом масштабе), приведена на рис. 3.
а
ю -
Рис. 3. Расчетная зависимость радиационно-наведенного поглощения
от поглощенной дозы облучения
Оценка показывает, что при заданных дозах затухание в ОВ стационарно и составляет 9,329 дБ/км. Это можно объяснить конечным количеством РЦО, которое может образоваться в кварцевом стекле при воздействии ионизирующего излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Долгов И. И., Иванов Г. А., Чамаровский Ю. К., Яковлев М. Я. Радиационно-стойкие одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной [Электронный ресурс] // Спецвыпуск «Фотон-экспресс» - Наука. - 2005. - № 6. - С. 8-10 - Режим доступа : кйр://Го1;опехрге88.ги/рёГ/РЕ_6(46).рёГ (дата обращения 09.03.18)
2. Арбузов В. И. Основы радиационного оптического материаловедения. Учебное пособие. - СПб. : СПбГУИТМО, 2008. - 284 с.
© С. Н. Шарангович, К. В. Заичко, 2018
