исследование оптического пропускания кварцевого волокна при

Известия Челябинского научного центра, вып. 1 (22), 2004
ОБЩАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 535.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ПРОПУСКАНИЯ КВАРЦЕВОГО
ВОЛОКНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ГАММА–НЕЙТРОННОГО ПОЛЯ
ИМПУЛЬСНОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
А.Н. Афанасьев (1), Н.В. Горин (1), А.В. Кедров (1), Б.Г. Леваков (1),
А.В. Милибеев (1), О.А. Мингазов (1), Л.Л. Солонцов (1),
Н.П. Старожицкая (1), В.Б. Таскин (1), Л.А. Мялицин (2), В.А. Гайдайчук (3),
Ю.М. Казьмин (3), В.А. Пахниц (3), А.С. Скивка (3)
e–mail: c5@five.ch70.chel.su
(1) Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский НИИ технической физики
им. акад. И.Е. Забабахина, г. Снежинск, Россия
(2) Снежинская государственная физико–техническая академия, г. Снежинск, Россия
(3) Институт атомной энергии Национального ядерного центра Республики Казахстан,
г. Курчатов, Республика Казахстан
Статья поступила 29 февраля 2004 г.
Введение
Волоконно–оптические системы связи и регистрации в последнее время все чаще стали
применяться в таких областях, где возможно радиационное воздействие: на атомных электростанциях, технологических линиях по переработке ядерных отходов, экспериментальных установках. Известно, что оптическое кварцевое волокно обладает высокой плотностью передачи
информации, значительной помехозащищенностью, и это позволяет рассматривать его как
перспективную среду для создания измерительных каналов работающих в сильных радиационных полях. Такие каналы могут работать как в узком диапазоне, так и для передачи спектральной информации. Поэтому актуальной является проблема исследования оптического волокна
при воздействии на него радиационного излучения. Наивысшей стойкостью к воздействию ионизирующих излучений обладает чистый плавленый кварц [1] , который используется в качестве световедущей сердцевины в волокне. Для передачи света сердцевина заключается в отражающую оболочку из кварца с пониженным показателем преломления, в качестве которой
используется кварц с добавками фтора.
Целью данной работы являлось исследование пропускной способности кварцевого волокна
во время воздействия мощного гамма–нейтронного поля ядерного реактора. В экспериментах
были использованы волокна с чистой кварцевой сердцевиной диаметром 310 мкм, внешним
диаметром отражающей оболочки 320 мкм из фторированного кварца и защитным полиакрилатным покрытием.
Исследование оптического пропускания кварцевого волокна
63
1. Постановка экспериментов
Для исследования оптического пропускания кварцевого волокна непосредственно во время
импульсного гамма–нейтронного воздействия петля длиной около 1 метра помещалась в центральный измерительный канал экспериментального ядерного реактора (рис. 1). С одного конца в волокно общей длиной 30 метров вводилось излучение (опорный сигнал) от светодиода
с длиной волны λ = 0,85 мкм, другой конец был подстыкован к приемному узлу на основе кремниевого фотодиода. Оба конца волокна были выведены по специальному каналу в безопасную
зону, где были расположены приемный и излучающий узлы. Величина опорного сигнала, проходящего по волокну, и плотность потока нейтронов были зафиксированы в едином временном
масштабе. Для регистрации возможного влияния излучения на радиоэлектронные узлы был
введен дополнительный контрольный канал, аналогичный измерительному, но при этом петля
волокна располагалась в безопасной зоне. Для исключения влияния сетевых наводок все узлы
имели автономное питание. Исследовалось влияние на пропускную способность волокна быстрых и тепловых нейтронов. В качестве источника гамма–нейтронного излучения использовались экспериментальные ядерные реакторы ИГРИК (РФЯЦ — ВНИИТФ, г. Снежинск, Россия,
[2]) и ИГР (НЯЦ, г. Курчатов, Республика Казахстан [3]). Основные параметры гамма–нейтронных импульсов приведены в таблице.
Рис. 1. Схема проведения экспериментов на ядерном реакторе (реактор ИГР)
64
А.Н. Афанасьев, Н.В. Горин, А.В. Кедров и др.
Характеристики гамма–нейтронного импульса
Ширина импульса на полувысоте, с
2
Реактор ИГРИК
∼10
–3
Реактор ИГР
1
∼1014
∼1015
Флюенс нейтронов с энергией Ен > 0,1 МэВ, н/см2
∼1014
∼1014
Плотность потока нейтронов, н/см2⋅с
∼1017
∼1015
0,8
∗
Полный флюенс нейтронов, н/см
Средняя энергия нейтронов, МэВ
Доза гамма–излучения, рад
∼10
6
∼106
Мощность дозы гамма–излучения, Р/с
∼108
∼106
Энергия гамма–квантов, МэВ
∼1
∼1
Примечание: ∗ — спектр нейтронов реактора ИГР согласно работе [4] включает ≈40 % тепловых
нейтронов (Ен = 0…0,6 эВ), ≈10% быстрых нейтронов (Ен >100 кэВ) и ≈50 % промежуточных нейтронов
(0,6 эВ < Ен < 100 кэВ).
2. Экспериментальные результаты
На рис. 2 приведены изменения опорного сигнала, прошедшего по волокну, и плотности потока нейтронов в едином временном масштабе в экспериментах на реакторе ИГРИК. Было выявлено, что одновременно с началом гамма–нейтронного импульса значительно увеличилась
регистрируемая интенсивность света, вызванная свечением самого волокна — люминесценцией. Повторные измерения с применением полосовых оптических фильтров показали, что спектр
люминесценции перекрывает область чувствительности фотоприемника 0,4…1,1 мкм. По окончании импульса люминесценция сразу же прекратилась, амплитуда опорного сигнала составила 0,3 от первоначального уровня (наведенное поглощение ∼5 дБ/м). Дальнейшие измерения
показали, что за несколько десятков миллисекунд опорный сигнал восстановился до уровня 0,9
(наведенное поглощение ∼0,5 дБ/м). Динамику наведенного поглощения во время импульса зарегистрировать не удалось вследствие значительной люминесценции, которая может быть вызвана как нейтронами, так и гамма–излучением.
Рис. 2. Изменение опорного сигнала,
прошедшего по кварцевому волокну и плотности потока нейтронов (реактор ИГРИК)
Таким образом, импульсное гамма–нейтронное воздействие с характеристиками, приведенными в табл. (реактор ИГРИК), исключает передачу информации в момент импульса. После
импульса в волокне наблюдается наведенное поглощение, вызванное, по–видимому, короткоживущими структурными дефектами кристаллической решетки кварца [5].
Исследование оптического пропускания кварцевого волокна
65
Через несколько десятков миллисекунд пропускная способность волокна практически полностью восстановилась. После серии из 6 опытов была зарегистрирована наведенная активность полимерного покрытия. Значительных изменений оптических и механических характеристик волокна через несколько часов после серии опытов зафиксировано не было.
Вторая серия экспериментов была проведена на импульсном графитовом реакторе ИГР
(НЯЦ, г. Курчатов, Казахстан). Для разделения возможных процессов наведенного поглощения
и люминесценции интенсивность вводимого в волокно излучения светодиода модулировалась
с частотой 1 кГц и глубиной модуляции 100 %. Таким образом, наведенное поглощение в волокне должно было вызвать уменьшение амплитуды проходящего по нему модулированного
сигнала, в то время, как процесс люминесценции должен вызывать появление составляющей,
временная форма которой соответствует гамма–нейтронному импульсу.
На рис. 3 приведены изменения опорного сигнала и плотности потока нейтронов в едином
временном масштабе. Характер изменения амплитуды опорного сигнала свидетельствует, что
собственного свечения в волокне в спектральном диапазоне 0,4 –1,1 мкм не зарегистрировано.
15
2
Во время облучения флюенсом тепловых нейтронов ∼10 н/см при плотности потока в макси15
2
14
2
муме ∼10 н/см ⋅с (плотность потока быстрых нейтронов составила ∼10 н/см ⋅с, мощность
6
дозы гамма–излучения соответствовала ∼10 Р/с ) опорный сигнал уменьшился до уровня 0,4
(наведенное поглощение ≈4 дБ/м). Одновременно с падением плотности потока нейтронов
и мощности гамма–излучения регистрируется уменьшение уровня наведенного поглощения.
То есть несмотря на возрастающий флюенс наблюдается процесс восстановления волокна.
После импульса до уровня 0,9 волокно восстановилось за несколько десятков секунд.
Рис. 3. Изменение опорного сигнала,
прошедшего по кварцевому волокну и плотности потока нейтронов (реактор ИГР)
Заключение
В работе приведены результаты исследований оптического пропускания волокна с чистой
кварцевой сердцевиной при воздействии гамма–нейтронных полей ядерного реактора. Было
получено, что воздействие быстрых нейтронов плотностью потока ∼1017 н/см2⋅с и мощности дозы гамма–излучения ∼ 108 Р/с в момент импульса вызывает в волокне значительную люминесценцию, практически полностью исключающую передачу информации по волокну. Воздействие
тепловых нейтронов плотностью потока ∼1015 н/см2⋅с и мощности дозы гамма–излучения ∼106 Р/с
в момент импульса вызывает в волокне наведенное поглощения 3…5 дБ/м. Однако волокно при
этом остается работоспособным. Полученные результаты доказывают перспективность использования оптического волокна с чистой кварцевой сердцевиной для передачи информации при
плотности потока нейтронов ≤1014 н/см2⋅с и мощности гамма–излучения ≤106 Р/с. Измеренные
66
А.Н. Афанасьев, Н.В. Горин, А.В. Кедров и др.
оптические потери дают возможность определить необходимый динамический диапазон передаваемого сигнала в оптоэлектронном тракте при разработке различных оптоволоконных датчиков, работающих в мощных гамма–нейтронных полях.
Авторы выражают благодарность всем сотрудникам экспериментальных ядерных реакторов ИГРИК и ИГР за помощь в организации и проведении экспериментов, полезные советы
и рекомендации при оформлении результатов.
Список литературы
1. А.Н. Гурьянов, Д.Д. Гусовский, Е.М. Дианов и др. Радиационно–оптическая устойчивость стеклянных
волоконных световодов с малыми потерями // Квантовая электроника. 1979, Т. 6, С. 1310—1318.
2. А.В. Кедров, В.Б. Таскин и др. Растворный импульсный реактор ИГРИК // ВАНТ, серия: Физика ядерных реакторов. 1989, № 4, С. 3—8.
3. И.В. Курчатов, С.М. Фейнберг и др. Импульсный графитовый реактор ИГР // Атомная энергия. 1964,
Т. 17, № 6, С. 463—474.
4. Н.В. Горин, Я.З. Кандиев, В.И. Литвин и др. Расчетно–экспериментальное исследование особенностей
спектра нейтронов ИГР // Атомная энергия. 2000, Т. 89, № 3, С. 233—237.
5. В.Б. Гаврилов, М.В. Данилов, В.А. Исаев и др. Спектры поглощения волоконных световодов из чистого
кварца, облученных γ–квантами от 60Со// Приборы и техника эксперимента. 1997, № 4, С. 23—32.