CC BY
24вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
РАДИАЦИОННО СТОЙКИЕ НЕЛЕГИРОВАННЫЕ СВЕТОВОДЫ ТИПА «ПАНДА» В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕПРЕРЫВНОГО И ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1* 11 11 Азанова И.С. , Шаронова Ю.О. , Поспелова Е.А. , Вохмянина О.Л. , Мальцев И.А. ,
1 2 3 3 2
Димакова Т.В. , Кашайкин П.Ф. , Филиппов А.В. , Таценко О.М. , Томашук А.Л.
1ПАО "Пермская научно-производственная приборостроительная компания», г. Пермь 2Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, г. Москва 3 Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики («РФЯЦ-ВНИИЭФ»),
г. Саров * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16094
Для применения в волоконно-оптических гироскопах и других интерферометрических датчиках физических величин в условиях космического пространства, а также в условиях импульсного ионизирующего излучения (ИИ) в ПАО «ПНППК» разработаны световоды с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой, сохраняющие поляризацию излучения, типа «Панда» (далее Панда) с величиной двулучепреломления более 5,5^10-4, и освоена технология их серийного производства [1].
Неожиданно, отрицательным свойством первого поколения наших нелегированных Панд явилось возникновение под действием ИИ полосы радиационно наведенного поглощения (РНП) света с центром на ~1 эВ [1]. Так как эта полоса покрывала рабочую длину волны ^=1,55 мкм, она, с одной стороны, отрицательно влияла на прозрачность Панды, а с другой, подавлялась за счет фотообесцвечивания при высокой мощности зондирующего сигнала 5-10 мВт (рис.1 а, кривые 1,1). Но при этом практически исключалось использование Панды при малой оптической мощности в сочетании с большой мощностью дозы ИИ, в том числе при импульсном воздействии ИИ при малых и средних временах после импульса (менее 1 мс).
Оптимизация технологии изготовления световодов, направленная на уменьшение полосы поглощения на 1 эВ, позволила полностью подавить эту полосу и соответственно снизить РНП при непрерывном и импульсном воздействии ИИ без потери высокого двулучепреломления. РНП при воздействии непрерывного гамма-излучения от источника 60Co с мощностью дозы 1,3 Гр/с при комнатной температуре практически повторяет зависимость РНП для изотропного световода того же химического состава, при этом закономерным эффектом явилась слабая зависимость РНП от входящей оптической мощности (рис. 1 а, кривые 2, 2'). Технология производства модифицированных световодов типа «Панда» отличается высокой воспроизводимостью: разброс РНП световодов различных вытяжек отличается менее чем на 1 дБ/км при дозе 1 кГр и, что немаловажно, при микроватной мощности зондирующего сигнала (рис. 1 б).
Время, мин О 5 10 15 20
1
1
\
V
Г" —1— —1—
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Доза, кГр
Рис. 1. Зависимость РНП в процессе облучения до дозы 1 кГр, мощность 1,31 Гр/с при комнатной температуре и релаксации, а)- 1 и 1'- образцы неоптимизированной Панды, двулучепреломление 6,3'10-4, 2и 2' - оптимизированной, двулучепреломление 6,4ш104,3 и 3'- изотропный световод того же химического
188 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
состава; в скобках указана входящая оптическая мощность б)- 1, 2, 3, 4 - различные образцы оптимизированной Панды при одинаковой входящей оптической мощности 5мкВт
Для условий импульсного облучения тормозным излучением линейного ускорителя электронов со средней энергией тормозных фотонов 5 МэВ и длительностью импульса ~20 нс [1], [2] оптимизация технологии позволила существенно снизить РНП световодов для времен менее 1 мкс - 1 мс после импульса. На рис. 2 а зависимости РНП от времени после импульса оптимизированной Панды представлены первым образцом и вторым образцом, неоптимизированная панда - это третий и четвертый и пятый образцы, для сравнения также приведен оптимизированный по стойкости к импульсному ИИ световод с сердцевиной из нелегированного 8Ю2 без напрягающих стержней (шестой образец), разработанный в ИХВВ и НЦВО РАН [2]. Для времен более 1 с после импульса РНП практически одинаковы для всех образцов - остаточные РНП для длины волны 1,55 мкм после импульса дозой до 30 Гр менее 0,1 дБ/км.
Интересно, что в отличие от условий непрерывного ИИ, фотообесцвечивание в процессе релаксации РНП для оптимизированной Панды заметно до 1 с (рис. 2 б), пока не подавлены все центры, поглощающие на 1 эВ. При дальнейшем увеличении времени РНП определяется уже другими центрами - а именно деформационными самозахваченными дырками [3], [4]. Фотообесцвечивание также заметно на рис 2 б. Увеличение входящей оптической мощности сказалось в первую очередь на увеличении скорости релаксации центров окраски на ~1 эВ, а на поглощение самозахваченных дырок вблизи 1 с не сказалось, так как их полосы поглощения достигают максимума в видимом диапазоне
[3].
1Е-В 1Е-5 1Е-4 1Е-3 0,01 0.1 1
Время, с Время, с
Рис. 2. Зависимость РНП от времени после воздействия импульсного ИИ а)-оптимизированная панда, доза в импульсе 22 Гр (кривые 1 (оптическая мощность 8мВт), 2 (10мкВт), неоптимизированная панда (кривые 3,4,5), доза в импульсе 20Гр, оптическая мощность 2мВт, изотропный световод ИХВВ РАН (кривая 6), доза 16Гр, оптическая мощность 8мВт; б)-образцы оптимизированной панды, доза в импульсе 4,7Гр, входящая оптическая мощность: 1 - 40мВт, 2 - 4мВт, 3 - 300мкВт, 4 - 31 мкВт. В опыте участвовали образцы соседних участков световода одной вытяжки, смотанные в одну бухту и
облученные в одном опыте
Таким образом, модификация технологии световодов типа «Панда» с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла позволила радикально повысить их радиационную стойкость за счет полного устранения полосы РНП на ~1 эВ. Это позволяет на порядки снизить мощность зондирующего света в условиях непрерывного облучения, а в условиях импульсного воздействия возможно обеспечение прозрачности Панды на малых временах после импульса 1 мкс - 1 мс. Работа была поддержана Российским Научным Фондом (Проект № 18-12-00436). Авторы благодарят М.Ю. Салганского и А.Н. Гурьянова за предоставление образцов световодов для сравнения, А.В. Грунина и В.Д. Селемира, Н.К. Миронова за содействие при проведении опытов на ускорителе электронов.
Литература
1. P.F. Kashaykin, A.L. Tomashuk, I.S. Azanova et al, J. Non-Crystalline Solids, 508, 26-32 (2019)
2. A. L. Tomashuk, A. V. Filippov, A. N. Moiseenko et al, J. Lightwave Technology, 35, 2143-2149 (2017)
3. S. Girard, D.L. Griscom, J. Baggio et al, JNon-Cryst. Solids 352, 2637-2642 (2006)
4. A.L. Tomashuk, A.V. Filippov, P.F. Kashaykin et al., J. Lightwave Technology, 37
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
