А М .В. Фаустов, А. Гусаров, Л.Б.Лиокумович, О.И. Котов,
advertisement
Материалы выступления на 22-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» 5–7 июня 2012, Санкт-Петербург, 2012 А.В. Фаустов, А. Гусаров, Л.Б.Лиокумович, О.И. Котов, М. Вульпар, П. Мегре ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ДОЗИМЕТРИЯ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ НА БАЗЕ КОГЕРЕНТНОЙ ЧАСТОТНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ 1. радиационно-наведенного поглощения (РНП) [6,7]. Кроме датчиков, основанных на измерении РНП, существуют также и другие подходы к измерению поглощенной дозы ИИ, например, с помощью измерения радиационно-индуцированного сдвига Брегговской длины волны волоконно-оптических Брегговских решеток, чувствительных к радиации [8]. Принцип действия таких датчиков основан на отслеживании смещения длины брэгговской волны вызванной радиационно-наведенным изменением показателя преломления. Наряду с указанными выше преимуществами использование волоконнооптических технологий для детектирования поглощенной дозы сопряжено с рядом трудностей вызванных сложным характером зависимости РНП от температуры. Основная проблема заключается в том, что точечные дефекты, образующиеся вследствие облучения, частично «отжигаются» со временем, при этом скорость отжига сильно зависит от температуры. Поэтому для точного вычисления поглощенной дозы ИИ по величине РНП необходимо постоянно отслеживать колебания температуры, чтобы при их наличии можно было бы скорректировать модель пересчета РНП в поглощенную дозу за счет учета изменения скорости отжига. Для решения второй из отмеченных задач мы предлагаем использовать технику когерентной частотной рефлектометрии (КЧР), также известную как метод OFDR в усовершенствованном варианте [9]. Эта техника имеет высокое пространственное разрешение (вплоть до 20 мкм), значительно превышающее возможности временных рефлектометров, а также позволяет измерять температуру вдоль волокна [10]. Таким образом, одно и то же волокно планируется использовать для измерения температуры и в качестве детектирующего элемента дозиметра, измеряя распределенное наведенное поглощение. 2. Радиационные эффекты в оптических волокнах Основой большинства ОВ является однокомпонентное кварцевое стекло SiO2. Несмотря на то, что стекла относят к аморфным веществам, возможно, говорить о наличии в них или генерации точечных дефектов, также называемых центрами окраски из-за имеющегося ближнего порядка в расположении атомов. При этом под точечными дефектами в стеклах подразумеваются локальные нарушения структуры, имеющие отличные свойства на фоне идеального бездефектного стекла [11]. Существует три основных механизма радиационного повреждения в стеклах образующих центры окраски: 1) радиолиз, 2) повреждение за счет образования дефекта смещения, 3) перераспределение электронов [12]. Все они приводят к образованию центров окраски, на которых происходит поглощение света. В данной работе мы рассматриваем применение одномодовых волоконных световодов. В них, как известно, волноводный принцип распространения света основан на эффекте полного внутреннего отражения, для выполнения условий которого необходимо, чтобы показатель преломления (ПП) сердцевины был выше, чем ПП оболочки. Для этого волокна легируются различными примесями, при этом возможно как повышение ПП сердцевины за счет легирования, например, германием (германоселикатные стекла, GeO2), так и понижение ПП оболочки, с помощью легирования фтором (F) или оксидом бора (B2O3) [13]. Также некоторые области применения волоконных световодов требуют наличия дополнительных примесей в сердцевине, например, редкоземельных металлов (Er3+, Yb3+, Nd3+), необходимых для осуществления усиления [13]. С точки зрения радиационного воздействия на волокна примеси играют важную роль, так как могут значительно повысить радиационную чувствительность облучаемого волокна, что в свою очередь приведет к значительным РНП. В ближнем инфракрасном телекоммуникационных радиационно-стойких которых изготовлена легирование окнах диапазоне прозрачности традиционно из чистого германием, во считаются кварца втором и одними из волокна, сердцевина самых Дополнительное [14,15]. встречающееся третьем в большинстве телекоммуникационных волокон, повышает чувствительность волокон в полтора, два раз. Полное затухание на километр, вызванное гаммаизлучением (здесь и далее все данные приведены для облучения гаммалучами), при поглощенной дозе 10кГр на длине волны 1550 нм составляет порядка 20 и 40 дБ, для кварцевого и германиевого волокон соответственно [15, 16]. Однако в литературе также можно найти данные по облучению волокон легированных фтором, которые демонстрируют ещё меньшее затухание (единицы дБ на км) при дозе 10кГр в ближнем инфракрасном диапазоне [17], что делает их наиболее радиационностойкими. Так же необходимо отметить, что насыщение волокон легированных фтором при облучении ИИ достигается уже на отметке в несколько сотен грей, в то время как РНП германосиликатных волокон и волокон с сердцевиной из чистого оксида кремния продолжает расти и при нескольких кГр, достигая насыщения только после 10кГр. С точки зрения волоконно-оптической дозиметрии интерес представляют ОВ с высокой чувствительностью к ИИ. Наиболее перспективными из них на данный момент считаются волокна легированные фосфором [6,7] или алюминием. Нами были также проведены эксперименты по облучению гамма-лучами (источник волокон легированных данными примесями. Более эксперименты по облучению оптических волокон описаны далее. 60 Co) подробно 3. Волоконно-оптические рефлектометры в дозиметрии Как было отмечено в предыдущей главе, воздействие ионизирующего излучения на оптические волокна приводит к появлению РНП, возрастающего с увеличением поглощенной дозы. Распределение РНП вдоль волокна возможно измерить с помощью волоконно-оптических рефлектометрических технологий. Эта идея возникла ещё в 80-х годах прошлого века [2]. С того момента было опубликовано значительное количество работ, в которых исследовалась возможность использования временных рефлектометров в дозиметрии [18,19]. В итоге в начале 2000-х годов, Хеннинг Хеншел (Henning Henschel) с коллегами из института Фраунгофер, Германия, разработали прототип дозиметра для ускорителя частиц TESLA [6]. Данный прототип был основан на использовании временного рефлектометра, работавшего на длине волны 850 нм. На рефлектограмме радиационное воздействие проявляется в виде участка с измененным наклоном (см. Рис. 1), что определяется дополнительным затуханием света в волокне на облученном участке. Разность наклонов Рис. 1 а) Принципиальная схема временного рефлектометра, б) Пример рефлектограммы, волокна подверженного воздействию ИИ равно РНП на данном участке, которые впоследствии пересчитывается в поглощенную дозу. Для пересчета РНП в величину поглощенной дозы авторы [6] воспользовались квазилинейным приближением [20]: (1) где – РНП, – поглощенная доза, – эмпирические константы. Данное приближение облегчает описание зависимости РНП от дозы, однако также накладывает ограничение на максимальное значение которое можно измерить, так как при увеличении дозы появляется экспоненциальная нелинейность, связанная с насыщением образования точечных дефектов в облучаемом волокне. В [6] авторы отмечают, что максимальная доза, до которой возможно использование их прототипа, ограничена 1кГр. Однако при этом они относят это ограничение не только на счет проявляющейся нелинейности при более высоких дозах, но и на счет ограниченного динамического диапазона у имевшегося в их распоряжении временного рефлектометра. Минимальное пространственное разрешение данного прототипа составило 1.5 метра, которое также было ограниченно параметрами рефлектометра. 4. Когерентная частотная рефлектометрия Можно выделить два основных недостатка использования временных рефлектометров в дозиметрии. Первым недостатком является ограничение технических характеристик данных рефлектометров: разрешение, наличие мертвой зоны. Ко второму недостатку можно отнести отсутствие возможности измерения температуры, от которой зависит скорость отжига точечных дефектов. Прототип измерительного прибора, разработанный в институте Фраунгофера, испускаемого ускорителем использовался заряженных для измерения частиц во излучения время работы. Температура на этом объекте должна поддерживаться постоянной, поэтому проблемы термо-индуцированного изменения отжига не возникало. Однако на многих ядерных объектах условие постоянства температуры не соблюдается преимущественно за счет нагрева вызванного ИИ. Повышение температуры может иногда достигать нескольких десятков градусов, что существенно ускоряет отжиг точечных дефектов и как следствие ускоряет насыщение чувствительности волокон к ИИ. Для устранения указанных недостатков мы предлагаем использовать волоконно-оптический когерентный «частотный» рефлектометр (КЧР) [10]. Данный рефлектометр имеет технические параметры: пространственное разрешение до 10 мкм (при длине тестируемого волокна до 30 м), отсутствие мертвой зоны. Также одним из важнейших преимуществ является возможность распределенного измерения температуры вдоль волокна. Рис. 2 Принципиальная схема когерентного частотного рефлектометра Принцип работы данного рефлектометра аналогичен технологии частотно-модулированной непрерывной гармонической волны, применяющейся в активных радарах [21]. В случае волоконно-оптического рефлектометра частотно-перестраиваемый лазер излучает непрерывный свет, который, попадая на интерферометр (см. Рис. 2), разделяется между двумя его плечами - опорным и плечом с подсоединеным волокном, используемым в качестве детектирующего элемента. В отличие от радиолокации, где полезным считается только переотражённый сигнал от локализованной в пространстве цели, в волоконной оптике интерес представляет рассеянный свет вдоль всего волокна. Данное рассеяние является, неоднородностями как правило, Релеевским и вызвано показателя преломления, рассредоточенными вдоль всего волокна. Рассеянный в обратном направлении свет интерферирует с отраженным в опорном плече, образуя интерференционную картину, состоящую из суммы гармоник с частотами биений, пропорциональными удвоенному расстоянию до соответствующего Релеевского рассеивателя в волокне. Поэтому Фурье образ интерференционной картины соответствует, пространственному распределению затухания вдоль волокна (см. Рис. 2). Это позволяет локализовать различные участки изменения РНП в чувствительном волокне. Более подробно описание КЧР представлено в [10]. С помощью частотного рефлектометра также можно производить измерения температуры. Её изменение влияет на длину оптического пути распространяющегося в волокне света, приводя к изменению задержки , величина которой зависит от двух факторов: задержки из-за увеличения физической длины волокна за счёт теплового расширения и задержки вызванной увеличением показателя преломления : (2) Увеличение задержки рассеянного света приводит к соответствующему увеличению частоты биения, что выражается в виде “растяжения” рефлектограммы, картины. являющейся Измерение Фурье распределения образом интерференционной относительного изменения температуры вдоль волокна основывается на нахождении смещения максимума кросс-корреляции от Фурье образов сегментов рефлектограмм [11]. Данное температуры смещение , является где пропорциональным -коэффициент повышению пропорциональности, смещение корреляционного пика и вызвавшее его изменение температуры. Так как кросс-корреляционная функция двух сегментов рассчитывается в частотной области, смещение её максимального значения в дальнейшем будет называться спектральным сдвигом. Данный термин следует понимать с точки зрения изменения оптического расстояния до конкретного рассеивателя, что приводит к задержке обратно рассеянного света по отношению к сигналу отраженному от реперного плеча. Измеренные коэффициенты температурной чувствительности нескольких волокон представлены в [22], в среднем их значения равны колблются около значения 0.78. Величина коэффициента у различных волокон может варьироваться в пределах 10%, поэтому перед измерением температуры с использованием нового волокна необходимо производить его калибровку. 5. Температурные измерения с помощью КЧР при наличии ИИ Как было отмечено ранее, измерение температуры с помощью КЧР основано на измерении задержек вызванных температурным расширением волокна, а также зависимостью показателя преломления от температуры. При этом известно, что воздействие ИИ вызывает увеличение показателя преломления, в основном вызванное уплотнением стекла сердцевины волокна, подверженного облучению [23]. Таким образом, воздействие ИИ может привести к некорректным результатам измерения температуры. Рис. 3 Коэффициент температурной чувствительности до, во время и после облучения Были проведены два эксперимента по измерению температуры в условиях ионизирующего излучения для оценки степени возможного влияния ИИ на точность измерений. Первый эксперимент заключался в измерении коэффициента температурной чувствительности оптических волокон в зависимости от поглощенной дозы. Волокна были установлены в печь, температура в которой ежедневно повышалась с 35 до 75°С за пять шагов по 10°С каждый. Данная печь была помещена в специальную камеру, в которой проводилось облучение ИИ. В качестве источника излучения использовался дней. На каждом относительного 60 Co. Эксперимент проводился в течение семи шаге производилось изменения температуры измерение с распределения помощью нескольких оптических волокон: 1) Oxford, сердцевина из чистого SiO2, 2) Corning, SMF-28, легированное германием, 3) радиационно-стойкое волокно, Волокно 1 и др. Все волокна являются радиационно-стойкими или с малой чувствительностью к ИИ. По измеренным данным было произведено вычисление зависимости температурного коэффициента от поглощенной дозы ИИ. Как видно на Рис. 3 явная зависимость от поглощенной дозы ИИ отсутствует, все колебания измеренной температурной чувствительности находятся в пределах среднеквадратического отклонения. Однако необходимо отметить, что вычисление коэффициентов проводилось с ежедневным обновлением реперной рефлектограммы, что минимизировало эффект вызванный радиационно-наведенным изменением показателя преломления. Подробнее эксперимент описан в [22]. Во втором эксперименте использовалась аналогичная установка. Температура поддерживалась на постоянном уровне 30°С. В эксперименте были использованы волокна: 1) производитель Corning, SMF-28; 2) производитель Draka, Bend Bright; 3) производитель 2, волокно легированное Al, Волокно 2; 4) производитель научный центр волоконной оптики РАН (НВЦО РАН), Москва, волокно легированное алюминием (МАл) и 5) производитель НВЦО РАН, волокно легированное фосфором (МФс). Три последних волокна являются высокочувствительными к ИИ. Относительное изменение температуры измерялось каждый час. Результаты измерений, продемонстрировали полученных постепенное с помощью увеличение КЧР, смещения кросскорреляционного пика в волокнах подверженных ИИ, что в обычных условиях рассматривается как изменение температуры или растяжение волокна. В данном эксперименте температура поддерживалась на постоянном уровне. Растяжение волокон также отсутствовало. Следовательно, наблюдаемое смещение кросскорреляционного пика является радиационно-наведенным эффектом, вызванным увеличением значения показателя преломления. Теоретически РНП и радиационно-наведенное увеличение показателя преломления являются связанными величинами. Данная связь может быть записана с помощью соотношения Крамерса-Кронига [24]. Следовательно, в чувствительных к ИИ волокнах кроме более высокого поглощения, показатель преломления должен также меняться сильнее, чем в радиационно-стойких волокнах. Это объясняет различие радиационнонаведенного спектрального сдвига измеренного волокнами с разной чувствительностью, увеличивающееся при возрастании поглощенной дозы. Например, германо-силикатное волокно SMF-28, являющееся волокном с малой чувствительностью к ИИ, за все время облучения продемонстрировало спектральный сдвиг всего в -1.6 ГГц, в то время как радиационно-чувствительное легированное алюминием Волокно 2 показало -10.6 ГГц. Данные величины соответствуют повышению температуры на 1.2 и 7.6 °С соответственно. 6. Нахождение значения поглощенной дозы по величине РНП Для нахождения поглощенной дозы по величине РНП используется предварительно измеренное затухание спектра пропускания волокна . На рефлектограмме данное затухание соответствует снижению уровня обратного рассеяния на конце волокна. РНП в общем случае является функцией дозы, температуры и длины волны: (3) Как было отмечено ранее, при малых дозах данную зависимость часто считают линейной [6]. На данном этапе мы предполагаем, что температура постоянна. В общем же случае температура, как было отмечено ранее, играет важную роль, так как от неё сильно зависит скорость отжига точечных дефектов. В дальнейшем мы планируем создать модель, в которой бы это учитывалось. Из рефлектограммы затухание находится путем дифференцирования по координате [6]: (4) где – логарифм отношения мощности обратно рассеяного света к некоторому реперному уровню. Таким образом, зная функциональную зависимость (4), из рефлектограммы можно восстановить значение поглощенной дозы. Временной рефлектометр, использованный в [6], работает на определенной длине волны, следовательно – фиксировано. (5) Зависимости РНП от дозы для чувствительных к ИИ волокон, использованных в предыдущем эксперименте, представлены на Рис. 4. Рис. 4 Зависимость РНП на длине волны 1550 нм, высокочувствительные волокна. Для описания данных зависимостей представленных на Рис. 4 мы воспользовались предложенных в: линейной комбинацией экспонент насыщения, (6) где , – эмпирические параметры, зависящие от длины волны, – количество экспонент необходимых для описания данной зависимости. Полученные параметры для волокон, показанных на Рис. 4, представлены в таблице 1. Таблица 1 Параметры описания зависимостей РНП от длины волны света. Тип оптического волокна М-Ал Волокно 2 М-Фс -Параметры, дБ/м -Parameter, кГр Представленные в таблице 1 параметры могут быть рассмотрены как величина затухания на i-том центре окраски на соответствующей длине волны с дозой насыщения . 7. Выводы В данной статье были представленны основные аспекты применения волоконно-оптического КЧР для осуществления распределенных измерений поглощенной дозы на основе детектирования РНП. Основной причиной выбора КЧР явилась возможность с его помощью производить температурные измерения в волокне подверженном ИИ излучению. Следовательно, при наличии одновременного измерения температурных изменений среды и РНП возможно создание модели, в которой также были бы учтены термо-наведенные изменения скорости отжига в оптических волокнах, что должно существенно повысить точность определения дозы. Мы продемонстрировали, что в волокнах являющихся радиационностойкими измерения корректировки при температуры воздействии не ИИ. требуют Однако при дополнительной использовании чувствительных к ИИ волокон в качестве детектирующего элемента изменений температуры необходимо также учитывать изменение показателя преломления, иначе это может привести к неточности измерений температуры (до 7-10°С). Был продемонстрирован принцип востановления поглощенной дозы по величине РНП, для которого были произведены измерения РНП для чувствительных к ИИ волокон легированных алюминием и фосфором. Данные зависимости были описаны с помощью суммы экспонент насыщения. В дальнейшем мы планируем провести измерения зависимостей РНП при темпертурах выше 30°С, для определения температурной зависимости скорости отжига точечных дефектов в чувствительных к ИИ волокнах. Литература 1. B.D.Evans, G.H.Sicjels Jr. // IEEE Transaction on Nuclear Science, 1974, vol. NS-21, pp. 113-118. 2. W.Gaebler, D.Brauning // 1st International Conference Fiber Optic Sensors, 1983, pp. 185– 189 3. M.Decréton, V.Massaut, P.Borgermans // Proc.SPIE, 1994, Vol. 2425, pp.2-10 4. Э.Удд. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников // Техносфера, 2008. – 520 с. 5. I.Mc Kenzie, N.Karafolas // Proc.SPIE , 2005, vol. 5855, p. 263. 6. H.Henschel, et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 2004, vol. 526, pp. 537-550. 7. R.H.West // Proc.SPIE , 2002, vol. 4547, pp. 61-68. 8. A.Faustov, et al. // Proc. Radecs, 2011, PJ-7. 9. B.J.Soller, M.Wolfe, M.E.Froggatt // OFC Technical Digest, 2005, paper NWD3. 10. D.K.Gifford, et al // Proc. ECOC , pp. 511 – 512. 11. А.Р.Силинь, А.Н.Трухин, “Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO2” // Рига: Зинатне, 1985. 12. D.L.Griscom // Proc.SPIE, 1985, Vol.541, p.38–59 13. R.Paschotta // Enciclopedia of Laser Physics and Technology, http://www.rp-photonics.com/fiber_core.html 14. M.Kyoto, et al. // Journal of Lightwave Technology, 1992, vol. 10, pp. 289-294 15. H.Henschel // Proc.SPIE 1994, vol.2425, pp.21-31 16. H.Henschel, et al // IEEE Transaction on Nuclear Science, 1994, vol. 41, no. 3, p. 510-516 17. T.J.Wijnands, , et al. // Proc. of Topical Workshop on Electronics for Particle Physics Workshop , 2007, pp.121-124 18. H.Henschel, et al. // Proc. RADECS 91 , 1991 19. R.H.West, S.Dowling // Proc. RADECS 91 , 1991 20. D.L.Griscom, M.E.Gingerich, E.J.Friebele // Phys. Rev.Lett. 1993, vol. 71., pp. 1019– 1022. 21. J.Zheng “Optical frequency-modulated continuous-wave (FMCW) interferometry,”// Springer Science+Business Media, Inc., 2005. 22. A.Faustov, et al. // Proc. SPIE , 2012, Vol. 8439, pp. 84390C-1-84390C-8 23. B.Benoît, et al. // Journal of Applied Physics, 2008,Vol.103,Issue 5, pp. 054905-054905-4 24. M.J.Digonnet // Proc. SPIE, 1996, Vol. 2841, p. 109-120
