Сравнительное исследование радиационной стойкости световодов типа «Панда» с сердцевинами из чистого и легированного азотом кварцевых стекол Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ

СТОЙКОСТИ СВЕТОВОДОВ ТИПА «ПАНДА» С СЕРДЦЕВИНАМИ ИЗ ЧИСТОГО И ЛЕГИРОВАННОГО АЗОТОМ КВАРЦЕВЫХ СТЕКОЛ

Томашук А.Л.1*, Кашайкин П.Ф1, Семенов С.Л.1.Филиппов А.В.2'1, Бычкова Е.А2'1,

2 1 3 1 3 1 3

ГалановаС.В. ' , Азанова И.С. ' , Вохмянина О.Л. ' , Поспелова Е.А. , Шаронова Ю.О.3'1, Димакова Т.В.3, Волошин В.В.4, Воробьев И.Л.4, Колосовский А.О.4, Чаморовский Ю.К.4, Голант К.М.5

1НЦВО РАН, г. Москва 2 РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров 3ПАО ПНППК, г. Пермь 4 ФИРЭ им. В А. Котельникова РАН, Фрязино Московской области 5ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва * E-mail: tomashuk@fo.gpi.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16092

Двулучепреломляющие световоды типа «Панда» (далее просто «панда») весьма актуальны в силу их широкого применения в оптических гироскопах. В «панде» исходное состояние поляризации света при распространении сохраняется из-за наличия двух напрягающих сетку стекла световода боросиликатных стержней, надлежащим образом размещенных в стекле оболочки световода, параллельно сердцевине. Фотография торца «панды» с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла дана на рис. 1. В ряде применений (в первую очередь, на космических аппаратах) гироскоп и «панда» будут подвергаться действию ионизирующего излучения (ИИ), которое создает точечные

дефекты (радиационные центры окраски, РЦО) в сетке стекла «панды». В ряде применений гироскоп может подвергнуться и импульсному воздействию ИИ, которое тоже создает РЦО.

Рис. 1: Изображение торца «панды», полученное на электронном микроскопе.

1 - сердцевина из нелегированного кварцевого стекла,

2 - фторсиликатная светоотражающая оболочка,

3 - напрягающие боросиликатные стержни,

4 - внешняя оболочка из нелегированного кварцевого стекла, (1=80 мкм

РЦО, в свою очередь, поглощают световой сигнал, распространяющийся по «панде», возникает эффект радиационно наведенного поглощения света (РНП), который может снизить точность гироскопа, либо вообще вывести его из строя.

Таким образом, для применений в радиационных полях требуются радиационно стойкие гироскопы и их конструкционные элементы (в т.ч. «панды»). Последние должны обеспечивать минимальное РНП на рабочей длине волны ^=1,55 мкм.

Известны два типа радиационно стойких «панд»: 1) сердцевина из нелегированного кварцевого стекла и светоотражающая оболочка из фторсиликатного стекла (рис. 1) [1] (называемые далее «нелегированные панды») и 2) сердцевина из кварцевого стекла, легированного азотом, и светоотражающей оболочкой из нелегированного кварцевого стекла [2] (называемые далее «азотные панды»). В отличие от рис. 1, боросиликатные стержни 3 в азотной «панде» размещены в нелегированном кварцевом стекле, а сердцевина 1 выполнена из кварцевого стекла, легированного азотом. Азотная «панда» сравнительно проще технологически, т.к. изготовление преформы не требует длительного осаждения фторсиликатной оболочки, однако требует применения плазмохимии. С другой стороны, как показали несколько ранних сравнительных исследований, изотропные световоды с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного азотом, имели несколько большее РНП при непрерывном у-облучении и после него, чем световоды с нелегированной сердцевиной [3, 4, 5, 6].

184 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты

Азотные изотропные световоды проявили меньшее РНП после импульсного воздействия рентгеновского излучения, чем нелегированные изотропные световоды [6].

Целью данной работы было сравнение радиационной стойкости (в первую очередь, на ^=1,55 мкм) нелегированной «панды» (изготовленной в ПНППК) и азотной «панды», любезно

предоставленной для данного

Длина волны: 1,55 мкм Мощность дозы: 1,27 Гр/с

79,2 кГр

Вводимая световая мощность: 2,3 мВт

<сация

-1-Г"

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

исследования ФИРЭ и ИРЭ РАН им. В.А. Котельникова.

На рис. 2 дано предварительное сравнение «панд» включая стандартную германо-силикатную.

Рис. 2 Эволюция во времени РНП на 1=1,55 мкм в процессе у-облучения при 1,27 Гр/с и релаксации после окончания облучения (всё при комнатной температуре). Световая

мощность в каждом из образцов составляла 2,3 мВт. Облучение проводилось до 79,2 Гр.

время облучения/релаксации, с

Наибольшее РНП в процессе облучения в германосиликатной «панде», которая, очевидно, не подходит для радиационных применений. В разы меньше РНП у азотной «панды» и примерно еще в 2 раза меньше у нелегированной «панды». Следует отметить заметно более быстрый процесс релаксации РНП у азотной «панды», чем у нелегированной, что выгодно для космических применений, проходящих при крайне малых мощностях дозы (~10-6 Гр/с).

На конференции будут представлены следующие исследования: сравнение РНП «панд» на ^=1,55 мкм при наборе дозы 1 кГр, постулируемой для космической миссии, и релаксации после завершения облучения. Эксперименты будут отдельно проведены при комнатной температуре и -60 °С, возможной температуре гироскопа в космосе. При комнатной температуре спустя недели после завершения облучения РПН будет измеряться по методу OTDR. По полученному массиву точек будет сделана экстраполяция РНП на время 10-15 лет в космосе в рамках модели «кинетики n-ого порядка», предложенной в Naval Research Laboratory Фрибелем [7] и недавно испытанной нами для изотропных световодов [8]. Будут исследованы спектры РНП в обоих «пандах» с целью определения РЦО, ограничивающих радиационную стойкостью. Будет проведено сравнение РНП на субсекундных временах после импульсного воздействия тормозного излучения ускорителя электронов при комнатной температуре и -60 °С. Будет сделана оценка подавления РЦО за счет фотообесцвечивания в обоих типах «панд».

Работа поддержана Российским научным фондом (Проект № 18-12-00436).

Литература

Kashaykin P.F. et al,. J, Non-Cryst. Solids 508, 26-32 (2019) Chamorovskii Yu.K. et ad., Proc SPIE 7503, 75036T1- 75036T4 (2009)

DianovЕМ\ et al, Electron. Lett. 31, 1490-1491 (2000) Tomashuk A.L et al, IEEE Trans. Nucl Sci, 45, 1566-1569 (1998) Tomashuk A.L. and Golant K.M., Proc SPIE 4083, 188-201 (2000) Girard S, et al, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 215, 187-195 (2004) Friebele E.J. et al, Proc SPIE 1791, 177-188 (1992) Кашайкин П.Ф. и др., ЖТФ 89, 752-758 (2019)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 185