摻鍺石英光纖的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)γ輻射效應(yīng)研究

黃紹艷，肖志剛，劉敏波，盛江坤，王祖軍，何寶平，姚志斌，唐本奇

（西北核技術(shù)研究所強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710024）

摻鍺石英光纖的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)γ輻射效應(yīng)研究

黃紹艷，肖志剛，劉敏波，盛江坤，王祖軍，何寶平，姚志斌，唐本奇

（西北核技術(shù)研究所強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710024）

開(kāi)展了摻鍺石英光纖在1.0×10－4～0.5 Gy（Si）／s劑量率下的穩(wěn)態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)和106～109Gy（Si）／s劑量率下的瞬態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：光纖輻射感生損耗與輻照總劑量呈飽和指數(shù)關(guān)系，與色心濃度微分方程推導(dǎo)出的結(jié)論相一致。在輻照總劑量相同的情況下，光纖輻射感生損耗隨輻照劑量率的增大而增大。輻照期間有光注入較無(wú)光注入時(shí)的光纖輻射感生損耗低，證實(shí)了光褪色效應(yīng)的存在。對(duì)實(shí)驗(yàn)用650、850和1 310 nm 3個(gè)波長(zhǎng)，光纖輻射感生損耗隨波長(zhǎng)的增大而減小。與光纖穩(wěn)態(tài)輻射感生損耗相比，光纖瞬態(tài)輻射感生損耗要大得多；光纖瞬態(tài)輻射感生損耗峰值與脈沖總劑量呈線(xiàn)性關(guān)系，這與飽和指數(shù)關(guān)系在低劑量下的泰勒展開(kāi)近似一致。

摻鍺石英光纖；穩(wěn)態(tài)；瞬態(tài)；輻射感生損耗

Key words：Ge－doped quartz optical fiber；steady－state；transient；radiation induced loss

光纖具有信息傳輸容量大、抗電磁干擾強(qiáng)、使用輕便等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。電離輻射環(huán)境會(huì)使光纖傳輸損耗增大，從而影響光纖系統(tǒng)的工作性能。為了對(duì)工作在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電離輻射環(huán)境中的光纖傳輸損耗進(jìn)行評(píng)估，需開(kāi)展電離輻射環(huán)境下光纖輻射感生損耗的變化規(guī)律研究。本文以漸變多模摻鍺石英光纖為研究對(duì)象，開(kāi)展1.0×10－4～0.5 Gy（Si）／s劑量率下的穩(wěn)態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)和106～109Gy（Si）／s劑量率下的瞬態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)，獲得光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量、劑量率、傳輸波長(zhǎng)及注入光強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為輻射環(huán)境下?lián)芥N石英光纖輻射感生損耗的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

1 光纖輻射感生損耗特性分析

光纖輻射感生損耗源于色心的形成，在光纖材料中經(jīng)常存在懸掛鍵、氧空位、過(guò)氧基及與雜質(zhì)有關(guān)的多種缺陷，電離輻射導(dǎo)致的電子、空穴在這些缺陷處的束縛便形成了色心［1－4］，即輻照前的缺陷是輻照后色心的先質(zhì)。先質(zhì)的濃度可用微分方程［5］表示為：

式中：n0和n分別為先質(zhì)的初始濃度和瞬時(shí)濃度；kg和ka分別為色心的產(chǎn)生率和退火率。

式（1）右邊第1項(xiàng)為先質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯膶?dǎo)致先質(zhì)濃度的下降，第2項(xiàng)為色心的退火。色心產(chǎn)生率與輻照劑量率D呈正比，即：

對(duì)式（1）進(jìn)行求解為：

色心的濃度nc為：

可看出，隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，色心濃度會(huì)達(dá)到飽和，飽和水平取決于色心的產(chǎn)生率和退火率。

光纖的輻射感生損耗αdB與色心濃度呈正比，則：

式中，kl為單位色心濃度引起的光纖輻射感生損耗。

將輻照時(shí)間表示為輻照總劑量D與輻照劑量率D之比，則：

由式（6）可看出，光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量的變化滿(mǎn)足αdB＝a（1－e－bD）（a、b為擬合系數(shù)）形式的飽和e指數(shù)規(guī)律，隨輻照總劑量的增大，光纖輻射感生損耗會(huì)達(dá)到飽和，飽和水平與輻照劑量率有關(guān)，輻照劑量率越高，kg越大，則飽和損耗越大。

2 穩(wěn)態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所的60Coγ源上進(jìn)行，輻照劑量率包括1.0×10－4、1.0×10－3、0.01和0.5 Gy（Si）／s。實(shí)驗(yàn)用光纖為62.5／125漸變多模摻鍺石英光纖，光纖長(zhǎng)度為32 m。為在測(cè)試過(guò)程中不損壞光纖，在裸光纖兩端1 m長(zhǎng)度包有塑套，端頭使用FC型連接器。測(cè)試光源主要用850 nm的發(fā)光二極管，為分析傳輸波長(zhǎng)對(duì)光纖輻射感生損耗的影響，測(cè)試光源采用波長(zhǎng)分別為1 310 nm和650 nm的激光二極管，利用光功率計(jì)進(jìn)行光纖傳輸功率的測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為1.0×10－4、1.0×10－3、0.01和0.5 Gy（Si）／s 4種劑量率下光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量的變化情況，其中離散點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，曲線(xiàn)是利用αdB＝a（1－e－bD）的關(guān)系進(jìn)行擬合得到。由圖1可看出，不同輻照條件及測(cè)試條件下，光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量的變化均遵循式（6）。從圖1還可看出，輻照總劑量相同的情況下，光纖輻射感生損耗隨輻照劑量率的增大而增大。這是由于輻照劑量率越大，輻照到相同總劑量所需時(shí)間越短，色心的退火相對(duì)越少，因此光纖輻射感生損耗越大。圖2為輻照總劑量為1 000 Gy（Si），光纖輻射感生損耗隨輻照劑量率的變化情況，其中離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是上述4種劑量率輻照下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可利用αdB＝p1／（1＋D－p2）＋p3關(guān)系進(jìn)行擬合，其中p1、p2、p3為正的擬合系數(shù)。由圖2可看出，在較大的劑量率范圍內(nèi)，光纖輻射感生損耗隨劑量率的增大而增大，但當(dāng)輻照劑量率低到一定程度或高到一定程度時(shí)，光纖輻射感生損耗趨于平坦，將不再隨劑量率而改變。這是因?yàn)檩椪談┝柯实偷揭欢ǔ潭葧r(shí)，色心產(chǎn)生率與退火率趨于平衡；輻照劑量率高到一定程度時(shí)，色心產(chǎn)生率遠(yuǎn)大于退火率，退火率可忽略。根據(jù)式（6）可知，兩種極端輻照劑量率情況下，色心產(chǎn)生率與退火率之間的關(guān)系使光纖輻射感生損耗僅取決于輻照總劑量，而與輻照劑量率無(wú)關(guān)。

圖1 不同輻照劑量率下光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量的變化Fig.1 Radiation induced loss in optical fiber vs total dose with different dose rates

圖2 光纖輻射感生損耗隨輻照劑量率的變化Fig.2 Radiation induced loss in optical fiber vs dose rate

為比較輻照期間光注入對(duì)光纖輻射感生損耗的影響，輻照期間光纖處于兩種狀態(tài)：1）未注入光；2）注入850 nm的光信號(hào)。圖3為 0.01 Gy（Si）／s輻照劑量率下，光纖輻照期間注入10μW光和未注入光兩種情形下的光纖輻射感生損耗（圖中曲線(xiàn)是利用αdB＝a（1－e－bD）的關(guān)系進(jìn)行擬合得到）。由圖3可看出，與未注入光的光纖相比，輻照期間有光注入的光纖輻射感生損耗較小，這歸因于光褪色效應(yīng)［68］，光褪色也就是光注入導(dǎo)致色心的減少，這使光纖輻射感生損耗降低。因此光褪色是光纖抗輻射加固的一種有效措施［9］。

圖3 注入光與未注入光情形下光纖輻射感生損耗Fig.3 Radiation induced loss in optical fiber vs total dose with and without injected light

光纖輻射感生損耗與傳輸波長(zhǎng)有關(guān)，圖4為1.0×10－3Gy（Si）／s輻照劑量率下，650、850和1 310 nm 3種傳輸波長(zhǎng)的光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量的變化關(guān)系（圖中曲線(xiàn)是利用αdB＝a（1－e－bD）的關(guān)系進(jìn)行擬合得到）。由圖4可看出，波長(zhǎng)650 nm的光信號(hào)損耗隨輻照總劑量的增大快速上升，1 310 nm的光信號(hào)損耗變化不大，850 nm的光信號(hào)損耗介于兩者之間。在相同輻照總劑量下，光纖輻射感生損耗隨傳輸波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)取決于光纖的吸收帶，摻鍺硅芯光纖的主要吸收帶峰值在紫外區(qū)［1，10］，因此，從紫外到紅外波段，光纖輻射感生損耗基本隨波長(zhǎng)的增大而減小。

圖4 不同傳輸波長(zhǎng)下光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量的變化Fig.4 Radiation induced loss in optical fiber vs total dose with different wavelengths

3 瞬態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)

瞬態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所強(qiáng)光一號(hào)加速器上進(jìn)行，瞬態(tài)輻照實(shí)驗(yàn)用光纖與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)用光纖源于同一批次。瞬態(tài)γ輻照實(shí)驗(yàn)用光纖長(zhǎng)度包括0.5、1、2、3、5和32 m，其中短光纖用于高劑量輻照、長(zhǎng)光纖用于低劑量輻照，這樣確保不同劑量的輻照在探測(cè)器上均有適度的響應(yīng)，為操作方便，5 m以?xún)?nèi)長(zhǎng)度的光纖均包有塑套。為使實(shí)驗(yàn)用光纖受到均勻輻照，在不影響彎曲損耗的情況下將光纖盡量盤(pán)成小圈。根據(jù)輻射場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的衰減性質(zhì)，將長(zhǎng)光纖置于離靶面較遠(yuǎn)處，短光纖置于較近處，分別受106～109Gy（Si）／s劑量率的γ輻照。測(cè)試系統(tǒng)由850 nm發(fā)光二極管、Si光電探測(cè)器和示波器組成，發(fā)光二極管發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)傳輸光纖傳輸至被輻照光纖，而后再經(jīng)傳輸光纖傳輸回來(lái)并連接至Si光電探測(cè)器，利用示波器對(duì)光電探測(cè)器輸出電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試并記錄。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

光纖在不同劑量率的脈沖γ輻照下，記錄的光電信號(hào)波形是相似的，圖5為光纖受脈沖γ輻照的典型時(shí)域波形，光電信號(hào)先快速下降，下降至峰值后開(kāi)始逐漸恢復(fù)。與光纖穩(wěn)態(tài)輻射感生損耗相比，光纖瞬態(tài)輻射感生損耗要大得多。

根據(jù)不同劑量率脈沖γ輻照下的時(shí)域波形，可計(jì)算出光纖輻射感生損耗，結(jié)合相應(yīng)的脈沖總劑量測(cè)試結(jié)果，可獲得光纖輻射感生損耗峰值隨脈沖總劑量的變化關(guān)系（圖6a），圖6b為圖6a的局部放大圖，可看出，光纖輻射感生損耗峰值與脈沖總劑量呈線(xiàn)性關(guān)系，這與文獻(xiàn)［11－12］給出的光纖瞬態(tài)效應(yīng)研究的結(jié)論是一致的。光纖輻射感生損耗峰值隨脈沖總劑量的線(xiàn)性變化關(guān)系與式（6）給出的飽和e指數(shù)關(guān)系并不矛盾，將式（6）進(jìn)行泰勒展開(kāi)，在總劑量較低時(shí)，取一級(jí)近似，即可得到輻射感生損耗與總劑量之間的線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 脈沖γ輻照光纖示波器記錄波形Fig.5 Oscilloscope waveform of pulseγirradiation in optical fiber

圖6 光纖瞬態(tài)輻射感生損耗峰值隨脈沖總劑量的變化關(guān)系Fig.6 Peak magnitude of transient radiation induced loss in optical fiber vs pulse total dose

比較圖1、6可看出，相同總劑量下，光纖瞬態(tài)輻射感生損耗較穩(wěn)態(tài)輻射感生損耗高出數(shù)個(gè)量級(jí)，如輻照50 Gy（Si）總劑量，光纖瞬態(tài)輻射感生損耗約為20 dB／m，而光纖穩(wěn)態(tài)輻射感生損耗約為0.01 d B／m，這主要是因?yàn)檩椪障嗤倓┝繒r(shí)，瞬態(tài)輻照期間色心的退火遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)輻照期間色心的退火。

4 結(jié)論

摻鍺石英光纖的輻射感生損耗與輻照總劑量呈飽和e指數(shù)關(guān)系，這意味著光纖輻射感生損耗隨輻照總劑量增大的速率會(huì)逐漸減小，直至達(dá)到飽和。在輻照總劑量相同的情況下，光纖輻射感生損耗隨輻照劑量率的增大而增大，同時(shí)光褪色效應(yīng)的存在使輻照期間有光注入的光纖輻射感生損耗降低。摻鍺石英光纖輻射感生損耗峰值波長(zhǎng)位于紫外區(qū)，因此對(duì)通信中常用的1 310或1 550 nm波長(zhǎng)光損耗很小。與穩(wěn)態(tài)輻射效應(yīng)相比，實(shí)驗(yàn)用摻鍺石英光纖對(duì)脈沖γ輻照敏感得多，在實(shí)驗(yàn)劑量范圍內(nèi)，光纖輻射感生損耗峰值與脈沖γ輻射劑量之間呈線(xiàn)性關(guān)系，這與飽和指數(shù)關(guān)系在低劑量下的泰勒展開(kāi)近似是一致的。

［1］FRIEBELE E J，GRISCOM D L，SIGEL G H.Defect centers in a germanium doped silica core optical fiber［J］.Journal of Applied Physics，1974，45（8）：3 424－3 428.

［2］GRISCOM D L，F(xiàn)RIEBELE E J，LONG K J，et al.Fundamental defect centers in glass：Electron spin resonance and optical absorption studies of irradiated phosphorus doped silica glass and optical fibers［J］.Journal of Applied Physics，1983，54（7）：3 743－3 762.

［3］GRISCOM D L.Trapped electron centers in pure and doped glassy silica：A review and synthesis［J］.Journal of Non－Crystalline Solids，2011， 357：1 945－1 962.

［4］GRISCOM D L.Self trapped holes in pure silica glass：A history of their discovery and characterization and an example of their critical significance to industry［J］.Journal of Non－Crystalline Solids，2006，352：2 601－2 617.

［5］GUSAROV A I，DOYLE D B.Modeling of gamma－radiation impact on transmission characteristics of optical glasses［C］∥Photonics for Space and Radiation Environments.Francis Berghmans：SPIE，2002：78－85.

［6］FRIEBELE E J，GINGERICH M E.Photobleaching effects in optical fiber waveguides［J］.Applied Optics，1981，20（19）：3 448－3 452.

［7］GILBERT R M.Photobleaching of radiationinduced color centers in a Germania－doped glass fiber［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，1982，NS－29（6）：1 484－1 488.

［8］LESKOVAR B.Radiation effects on optical data transmission systems［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，1989，36（1）：543－551.

［9］SIGEL G H，Jr，F(xiàn)RIEBELE E J，MARRONE M J，et al.An analysis of photobleaching techniques for the radiation hardening of fiber optic data links［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，1981，NS－28（6）：4 095－4 101.

［10］PANTELIDES S T.The physics of SiO2and its interfaces［M］.New York：Pergamon Press，1978：232－248.

［11］劉福華，安毓英，王群書(shū)，等.脈沖γ射線(xiàn)對(duì)光纖的輻射效應(yīng)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2010，22（7）：1 668－1 672.LIU Fuhua，AN Yuying，WANG Qunshu，et al.Effects of pulse gamma－ray radiation on optical fibers［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22（7）：1 668－1 672（in Chinese）.

［12］MATTERN P L，WATKINS L M，SKOOG S D，et al.The effects of radiation on the absorption and luminescence of fiber optic waveguides and materials［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，1974，NS－21：81－95.

Effect of Steady－state and TransientγRadiation on Ge－doped Quartz Optical Fiber

HUANG Shao－yan，XIAO Zhi－gang，LIU Min－bo，SHENG Jiang－kun，WANG Zu－jun，HE Bao－ping，YAO Zhi－bin，TANG Ben－qi
（State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，China）

Ge－doped quartz optical fibers were irradiated by steady－stateγwith dose rate of 1.0×10－4－0.5 Gy（Si）／s and transientγwith dose rate of 106－109Gy（Si）／s.The results show that the radiation induced loss in optical fiber satisfies saturate exponential relationship with total dose，which agrees with the conclusion developed from color center concentration differential equation.The radiation induced loss in optical fiber increases with dose rate at a given total dose.The photobleaching effect was validated by the result that radiation induced loss in optical fiber is less with transmitted light during irradiation.The radiation induced loss in optical fiber decreases with increasing wavelength from 650 to 1 310 nm.The transient radiation induced loss in optical fiber is much larger than steady－state radiation induced loss.The peak magnitude of transient radiation induced loss in optical fiber is linear with pulse total dose，which agrees with Taylor expansions approximation of saturate exponential relationship at low total dose.

TN929.11

：A

：1000－6931（2015）12－2288－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2288

2014－08－26；

：2015－04－30

黃紹艷（1971—），女，遼寧凌源人，副研究員，碩士，從事光電器件輻射效應(yīng)研究