ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА НА РАДИАЦИОННО-НАВЕДЕННОЕ ЗАТУХАНИЕ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-26-27

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА НА РАДИАЦИОННО-НАВЕДЕННОЕ ЗАТУХАНИЕ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

12* 1 13 12 2

Азанова И.С. ' , Шаронова Ю.О. , Поспелова Е.А. ' , Ладыжец Е.А. ' , Волынцев А.Б. ,

Филиппов А.В.

1ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», г. Пермь 2Пермский государственный университет, г. Пермь 3 Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, г. Саров

E-mail: [email protected]

Применение оптоволоконных датчиков физических величин в условиях импульсного гамма-излучения (ИИИ) требует прогнозировать стойкость датчика. Данные по стойкости оптического волокна (ОВ) к воздействию ИИИ, как правило, получены для образцов ОВ в свободной намотке. При этом чувствительный элемент датчика может быть выполнен в виде катушки или контура, где ОВ находится в напряженно-деформированном состоянии. Другим фактором может оказаться величина входящей оптической мощности. Из-за эффекта фотообесцвечивания радиационно-наведенное затухание (РНЗ) может существенно отличаться при разных значениях оптической мощности [1]. Цель данной работы - исследовать влияние уровня входящей оптической мощности и напряженно-деформированного состояния анизотропных ОВ типа «Панда» с нелегированной кварцевой (8Ю2) и германосиликатной (0е02) сердцевинами производства ПАО «ПНППК» на релаксацию РНЗ на длине волны 1550 нм после воздействия ИИИ.

Образцы ОВ исследовались в виде свободной намотки, а также в виде катушек, намотанных с определенным натяжением и склеенных компаундом для придания механической прочности, при этом в катушке возникали дополнительные напряжения. Уровень напряженно-деформированного состояния образцов оценивался по сдвигу частоты Бриллюэна (СЧБ) с помощью брюллиэновского рефлектометра с разрешением 0,1 МГц с учетом коэффициента пропорциональности из [2].

Опыты проводились на линейном индукционном ускорителе электронов с длительностью импульса примерно 20 нс («РФЯЦ-ВНИИЭФ»), доза в импульсе от 0,5 крад до 2,9 крад, температура в опыте 25 °С, уровень входящей оптической мощности варьировался от 31 мкВт до 0,4 Вт. С помощью фотоприемников с шириной полосы пропускания 125 МГц и осциллографов с разрешением по времени 1 • 10-10 с на протяжении 1 с после воздействия фиксировалась выходная оптическая мощность на длине волны 1550 нм, по которой определялась зависимость РНЗ от времени после воздействия.

В работе [3] было показано, что релаксация РНЗ изотропных 8Ю2 ОВ после воздействия ИИИ аппроксимируются суммой двух вкладов от короткоживущих и относительно долгоживущих радиационно индуцированных центров окраски (РЦО) -собственных и деформационных автолокализованных дырок. По результатам математической аппроксимации РНЗ в образцах 0е02 «Панда» установлено образование радиационно-индуцированных дырок двух типов, по аналогии с собственными и деформационными дырками 8Ю2 ОВ. На Рис. 1 приведена экспериментальная кривая релаксации РНЗ 0е02 «Панда» в свободной намотке, расчётные вклады от собственных и деформационных дырок и суммарная расчетная кривая. Для данного случая РНЗ до 1 мс определяется аналогом собственных дырок, до 1 с аналогом деформационных дырок.

Для всех кривых релаксации РНЗ математическая аппроксимация выполнялась с использованием функции растянутой экспоненты

'......I)

GcO. " ГТлцля"

-Экспериментльная кривая

— — Расчетная кривая

---- Оъбеимгкные

Дсформяiиюнимс_

1П-6 ]Е-5 1Е-4 0,001 0,01 0Л Премя. с

Рис. 1. Зависимость РНЗ GeO2 «Панда» (экспериментальная и расчетная) от времени после воздействия Доза в импульсе 2,2 крад, температура в опыте 25°С

РНЗ = Cco6exp(- ((-Ь,^6)) + Сдефехр(- (

^ *хоб ' \ \деф

,)£деф

с параметрами аппроксимации для собственных и деформационных дырок соответственно: Ссоб и Сдеф - РНЗ в момент воздействия, пропорциональные начальной концентрации РЦО; тсоб и тдеф -характерные времена релаксации и рсоб и Рдеф - показатели степени для комплекса (^/т)1 Точность аппроксимации составила не менее 0,98.

Оказалось, что величина входящей оптической мощности определяет тсоб и тдеф, не оказывая существенного влияния на остальные параметры аппроксимации РНЗ. Наиболее сильно изменяются тсоб. Для образцов 8Ю2 «Панда» в свободной намотке зависимость тсоб от величины входной

оптической мощности Р0 удовлетворительно аппроксимировалась хСоб=2,4- 10"3[с]ехр(-^о/0,5[мкВт]). При этом в противоположность Тсоб, Тдеф незначительно увеличивались при повышении P 0.

Наличие относительной деформации, т.е. дополнительных искажений в сетке стекла, привело к значительному замедлению релаксации РНЗ. Уровень РНЗ 10 дБ/км на образцах 0е02 «Панда» в свободной намотке (относительная деформация е 1=0) и с

10S

Ю"1 -i

10!-|

У 10'5-!

з:

и с. 10Ч -!

10^

10"" 1

L0"s 1

Ш СеОЗ.соосгеснвысдьфкн Q Qc02. jc^opMsnjiwffflbif дыри]

A 4 I - ; ;; ■ i I v

SiOZ. ЛЦ>Ы[

Иэотрол Si'j] расчетные д^формпщк.нны; дарщ

расчсице собственные да[*и [Емнрси] N11: .. I;;; (I; дефо ршй| ноядЦри

Ф ' : 'I V;.; I l--:,ir: ri: - I'I ■>:> r;i.|||::.l: H^lHl

внесенными

(82=3,2-10-

через 210-4 с, 3 соответственно. На практике это приведет к тому, что время потери работоспособности для ОВ в напряженно-деформированном состоянии увеличится на два порядка величины по сравнению с ОВ в свободной намотке. На Рис. 2 приведены величины тсоб и тдеф для всех исследуемых образцов в зависимости от СЧБ. Внесение дополнительных напряжений привело к увеличению тсоб и незначительному уменьшению тдеф как для 0е02 «Панда», так и для 8Ю2 «Панда». Необычным оказалось выстраивание значений тсоб в одну линию, независимо от состава сердцевины ОВ (также и для тдеф). Для проверки возможного случайного совпадения, на график нанесли значения тсоб и тдеф для образца изотропного 8Ю2 ОВ (заполненные кружок и ромбик). Условия опыта для этого образца отличались уровнем P0 (5 мВт вместо 31 мкВт). Корректировка значений тсоб и Тдеф на уровень P0=31 мкВт с учетом полученных зависимостей показана на Рис. 2 пустыми кружком и ромбиком. Расчетные данные легли в общую линию тренда, что свидетельствует в пользу неслучайного характера зависимости. Изменение СЧБ отражает в том числе изменение компактности решетки стекла [4,5], поэтому легированные германием образцы 0е02 «Панда» в свободной намотке характеризовались наименьшей СЧБ, образцы 8Ю2 «Панда» с внесенными дополнительными напряжениями - наибольшим ее значением. Таким образом, повышение компактности решетки стекла приводит к росту времени релаксации собственных дырок и незначительному уменьшению времени релаксации для деформационных дырок. Полученные зависимости для тсоб и тдеф позволяют прогнозировать время потери работоспособности 0е02 и 8Ю2 ОВ после воздействия ИИИ в зависимости от уровня входящей оптической мощности и напряженно-деформированного состояния. Впервые проведено сопоставление сдвига частоты Бриллюэна с РНЗ в ОВ после импульсного излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. (Соглашение № 075-11-2019-059 от 22 ноября 2019 г.).

Авторы благодарят Томашука А.Л., Кашайкина П.Ф., Есипенко И.А., Константинова Ю.А. за полезное обсуждение экспериментальных результатов исследования.

-г-

Т

-г

напряжениями е з=9,0-10-3) достигался

10-3 с,

10-2 с

10,5 10,6 10,7 10,8 10,9 11,0 11.1 11,2 11,3 11.4 11,5

Частота, ГГц

Рис. 2. Зависимость тсоб и тдеф GeO2 и SiO2 «Панда», а также

изотропного SiO2 ОВ от величины сдвига частоты Бриллюэна. Доза в импульсе 2,2 крад, температура в опыте

25° С

Литература

1. P.F.Kashaykin et al., J. Non-Crystalline Solids, 508, 26-32 (2019)

2. И.А.Есипенко, Дис., к.т.н, 01.02.06 (2017)

3. A.L.Tomashuk et al., J. Lightwave Technology, 35, 2143-2149 (2017)

4. Листвин А.В. и др., Рефлектометрия оптических волокон, глава 4 (2005)

5. Weiwen Zou et al., J. Lightwave Technology, 26,13 (2008)