光纖傳感器在輻射環(huán)境中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李惠， 趙慶超， 張發(fā)祥， 馬龍， 倪家升，彭綱定

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

相較于煤和石油等常規(guī)能源，核電站不僅能提供保持碧水藍(lán)天的清潔能源，而且其能量轉(zhuǎn)化率很高。與此同時(shí)，核磁共振、CT等醫(yī)療手段給人類健康帶來了新的福音。然而，福島核電站泄露等事件對(duì)人類造成的卻是難以抹去的傷痛，對(duì)輻射環(huán)境中的物理量的觀測(cè)勢(shì)在必行[1-3]。核輻射環(huán)境與一般常用的環(huán)境有很大的區(qū)別，其溫度相對(duì)較高、化學(xué)組成復(fù)雜，具有較強(qiáng)的電磁干擾和核輻射影響，所以常規(guī)電子傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用受到極大的限制。

20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的光纖傳感器，由于其抗電磁干擾、高靈敏度、高精度、尺寸小、重量輕和易于復(fù)用等優(yōu)勢(shì)，在各大行業(yè)都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，特別是在傳統(tǒng)電子傳感器應(yīng)用受限的油田、煤礦、電力、核電站等惡劣環(huán)境中[4-6]，其中最具有代表性的有光纖布拉格光柵傳感器、光纖法布里-珀羅傳感器和分布式光纖傳感器[7-11]。本文闡述了這3種傳感器的原理，分析了核輻射對(duì)其性能的影響，對(duì)輻射影響的作用機(jī)理進(jìn)行分析，以期促進(jìn)光纖傳感器在核輻射環(huán)境中更廣泛的應(yīng)用。

1 光纖傳感器原理

光纖傳感器利用光纖本身作為物理量“傳”和“感”的載體，外界溫度等信息通過影響光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的變化感知外界環(huán)境，其中最為常見的有光纖布拉格光柵傳感器、分布式光纖傳感器和光纖法布里-珀羅傳感器3種。根據(jù)傳感原理的不同，光纖布拉格光柵傳感器多用于單點(diǎn)溫度和應(yīng)變的測(cè)量，分布式光纖傳感器用于整個(gè)光纖溫度、振動(dòng)的測(cè)量，光纖法布里-珀羅傳感器用于單點(diǎn)溫度和壓力的測(cè)量。

1.1 光纖布拉格光柵傳感器原理

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)是一種可以反射特定波長光的光學(xué)濾波器件[7-8]，特定光波長λB滿足布拉格定律，且與待刻寫光纖的有效折射率neff和光柵的刻寫周期ΛG有關(guān)[12]。光柵的刻寫有干涉曝光、相位掩模板直接寫入、遮擋法、二次曝光等方法，其中以相位掩模板方法最為常用[13]。按照光柵刻寫過程采用的激光可將相位掩模板方法制成的光柵分為I型、II型和再生光柵[14-15]，其中I型光柵應(yīng)用最為廣泛[12]。

FBG的布拉格波長受光柵周期ΛG和纖芯有效折射率neff影響，而溫度的改變和應(yīng)變會(huì)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)產(chǎn)生影響，可用公式(1)進(jìn)行表述：

(1)

式中,α為FBG的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)，ΔT為環(huán)境溫度的改變量，Pe為光柵有效彈光系數(shù)，ε為FBG所受軸向應(yīng)變[16]。由公式(1)可知，當(dāng)FBG所處的環(huán)境溫度發(fā)生改變或發(fā)生應(yīng)變時(shí)，光柵的布拉格波長也將隨之變化，而光柵波長可以通過光譜分析得到，再通過解調(diào)可以將FBG的波長變化轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟群蛻?yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的傳感。

1.2 分布式光纖傳感器原理

光在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)與介質(zhì)中的成分發(fā)生相互作用，造成光的傳播方向發(fā)生偏移，該過程稱為光的散射。按照散射光與入射光的頻率關(guān)系可將其分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射[17]，分布式光纖傳感系統(tǒng)就是基于光在光纖中發(fā)生的光散射現(xiàn)象。

對(duì)于光纖系統(tǒng)，當(dāng)外界參數(shù)如溫度、擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，后向傳輸?shù)纳⑸涔庑盘?hào)也將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被用來制作傳感器。結(jié)合光時(shí)域反射原理，光在光纖中傳輸時(shí)反射光光強(qiáng)會(huì)呈現(xiàn)與光纖距離一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而光強(qiáng)又受到溫度、壓力等參數(shù)的調(diào)制，通過解調(diào)可以實(shí)現(xiàn)光纖距離與溫度等物理量的對(duì)應(yīng)，當(dāng)光纖某一點(diǎn)物理量發(fā)生變化時(shí)，反射光強(qiáng)也將發(fā)生變化并呈現(xiàn)在系統(tǒng)的光譜圖上，從而得以對(duì)物理量進(jìn)行表征?；诠獾纳⑸淅碚摚植际焦饫w傳感系統(tǒng)可分為基于瑞利、布里淵和拉曼散射的3種傳感系統(tǒng)，根據(jù)所受調(diào)制的物理量可分為分布式溫度傳感器(distributed temperature sensing, DTS)、分布式振動(dòng)傳感器(distributed vibration sensing, DVS)和分布式聲波傳感器(distributed acoustic sensing, DAS)等。

1.3 光纖法布里-珀羅傳感器原理

光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot, FP)傳感器基于法布里-珀羅干涉，即兩個(gè)正對(duì)放置的光纖端面間的多光束干涉，反射回的光譜信號(hào)受腔長的影響，而腔長又受外界溫度、壓力等物理量的影響，故也可以用作光纖傳感器[9,11]。由于法布里-珀羅腔對(duì)壓力更為敏感，多用于壓力傳感，特別是生物傳感領(lǐng)域。

2 光纖傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用研究進(jìn)展

核輻射主要包括3種類型：α衰變、β衰變和γ躍遷，按照順序3種輻射對(duì)人體的傷害逐漸增大，研究對(duì)象主要集中于中子輻射和γ輻射兩種，本文所提到的核輻射就以這兩種輻射為主。核輻射對(duì)光纖傳感器的影響主要表現(xiàn)在對(duì)光纖本身的影響上，核輻射會(huì)使光纖材料發(fā)生變化，造成其中傳輸信號(hào)的大幅衰減，從而影響核輻射中光纖傳感器的傳輸距離。

2.1 光纖布拉格光柵傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用

核輻射對(duì)FBG傳感器的影響主要表現(xiàn)在輻射引起的損耗(radiation induced attenuation, RIA)和布拉格波長漂移(radiation induced Bragg wavelength shift, RI BWS)兩方面。2001年Fujita小組[16]利用相位掩模板方法在摻Ge的石英光纖上制備FBG并將其置于γ輻射中，通過測(cè)量FBG的布拉格波長λ隨輻射劑量的漂移來表征輻射對(duì)FBG的影響，其波長隨γ輻射量的改變?nèi)鐖D1a所示。

圖1 布拉格波長隨γ輻射劑量和溫度的變化[18-19]Fig.1 Bragg wavelength shift with variations of γ radiation dose rate and temperature [18-19]

圖1a所示為該FBG波長隨γ輻射劑量發(fā)生漂移的情況，可以看出布拉格波長隨輻射劑量的增加呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性，隨著輻射劑量接近250 kGy，其波長變化出現(xiàn)可逆的變化趨勢(shì)，波長漂移不明顯的主要原因是250 kGy還不足以造成光柵的破損，且光柵制備完成后經(jīng)過了50 ℃的退火，該過程鈍化了光柵中的缺陷，從而使得光柵的有效折射率沒能發(fā)生顯著變化。隨后他們對(duì)輻射量40 kGy后的FBG進(jìn)行了溫度系數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1b所示，可以認(rèn)為經(jīng)過γ輻射后，F(xiàn)BG在40～80 ℃的溫度變化過程中，波長的溫度上行和下行基本滿足線性關(guān)系，輻射前后波長的溫度系數(shù)分別為8.9和9.4 pm/℃，可以看出γ輻射對(duì)FBG有一定的影響，輻射使得光柵的溫度系數(shù)增加，給后續(xù)溫度傳感過程中溫度的測(cè)量帶來誤差。

隨后Fernandez小組[18-20]對(duì)幾組不同的光柵在不同輻射下的波長漂移情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1c所示。文中對(duì)1～7號(hào)FBG選用1～ 25 kGy/h的輻射速率進(jìn)行γ輻射，從圖中可以看出不同的輻射速率對(duì)FBG的影響有很大區(qū)別，其波長變化總體呈現(xiàn)紅移趨勢(shì)，原因?yàn)楣鈻挪皇茏贤夤庹丈洳糠纸?jīng)γ輻射之后有效折射率增加，且輻射劑量越大，效果越明顯；輻射停止后，F(xiàn)BG波長的改變有一定的恢復(fù)，但恢復(fù)量極小，說明輻射對(duì)FBG波長的影響具有不可逆性，但輻射后FBG的溫度系數(shù)沒有明顯的變化。該小組還表征了不同種類的光纖，結(jié)果表明光敏光纖上刻寫的FBG在核輻射下具有最小的布拉格波長移動(dòng)和穩(wěn)定的光譜特性，是一種耐輻射光纖。

隨著研究的逐漸深入，研究人員不再局限于純硅光纖，摻F等各種摻雜光纖也被用來制作布拉格光柵。2006年Fernandez研究小組[20]利用Ge-F共摻光纖制備化學(xué)成分光纖光柵，這類光纖不是簡(jiǎn)單的對(duì)光纖材料進(jìn)行摻雜，而是將F離子直接以化學(xué)方法引入纖芯和包層，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖成分的改性，研究者對(duì)其進(jìn)行了2000 MGy的高劑量輻射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這類FBG性能較差，經(jīng)長時(shí)間輻射后布拉格峰位移動(dòng)達(dá)10 nm左右，損耗達(dá)10 dB，表明該傳感器不適合用在核輻射環(huán)境中，其RIA和波長漂移如圖2a、b所示。

之后的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了光柵光纖的組成成分和涂覆層。Gusarov等[21]選用了12種不同成分的FBG進(jìn)行核輻射下的布拉格波長漂移情況測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在各種摻雜光纖中，純硅光纖和摻F光纖FBGs具有更好的耐輻射特性，如圖2c所示，圖中所示波長漂移最小的10號(hào)FBG纖芯中不含有Ge成分，1 MGy的輻射總劑量下BWS僅為50 pm，而BWS最大的5和8號(hào)光柵的纖芯中含有摩爾分?jǐn)?shù)為21%和10 %的GeO2，適合用作輻射劑量的監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)，該小組還分析了光柵種類對(duì)核輻射的敏感性，圖2d給出了I型、II型兩種FBG在輻射下的波長移動(dòng)，對(duì)于I型FBG其波長在100 kGy輻射劑量下的移動(dòng)達(dá)80 pm以上，而II型FBG僅為30 pm，且在輻射劑量15 ～ 20 kGy時(shí)該數(shù)值達(dá)到飽和，之后不再隨輻射劑量的增加而增大，該類FBG經(jīng)過一定的飽和輻射劑量后可以用在核輻射環(huán)境中進(jìn)行溫度和應(yīng)變的傳感。

圖2 化學(xué)成分光纖光柵及不同類型光柵的輻射損耗和布拉格波長特性[20-21]Fig.2 Radiation induced attenuation and Bragg wavelength characteristics of chemical composition FBG and different types of gratings after radiation [20-21]

光纖涂覆層方面，Henschel等[22]選用丙烯酸酯、有機(jī)陶瓷、聚酰亞胺作為FBG制備完成后的涂覆層，并選用機(jī)械剝除有機(jī)陶瓷層作為對(duì)照，對(duì)FBG進(jìn)行40 kGy的輻射，輻射后的峰值衰減和布拉格波長移動(dòng)情況如圖3a、b所示。由結(jié)果可知，涂覆層對(duì)FBG的布拉格波長處的峰值影響不大，而對(duì)波長的移動(dòng)有較大的影響，圖3b中波長移動(dòng)最大的FBG為有機(jī)陶瓷涂覆的光柵，移動(dòng)最小的是剝除陶瓷層的光柵。由該結(jié)果可知，利用不同種類和厚度涂覆層FBG對(duì)輻射的敏感性差異可以選用不同光柵實(shí)現(xiàn)輻射劑量的測(cè)量和輻射環(huán)境下的傳感應(yīng)用。

Gusarov等[21]對(duì)FBG載氫過程中所用的氫氣壓力也進(jìn)行了研究。選用Corning單模光纖制備的FBG刻寫前選擇了不載氫、10、20和30 MPa氫氣壓強(qiáng)進(jìn)行處理，并將制備的不同F(xiàn)BG置于輻射環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3c所示。圖中不載氫的FBG具有最小的BWS，100 kGy輻射下波長漂移僅為12 pm，隨著載氫壓力的逐漸增加，F(xiàn)BG的波長漂移情況越來越明顯。通過在刻寫FBG過程中對(duì)光纖施加一定的拉力，發(fā)現(xiàn)FBG的波長漂移沒有明顯變化。

圖3 核輻射對(duì)不同涂覆層和不同載氫壓強(qiáng)下FBG布拉格峰值和波長漂移的影響[21]Fig.3 Effects of nuclear radiation on Bragg peak and wavelength drift of FBG under different coatings and different H2 loading pressures [21]

2011年Henschel研究小組[22]選用Corning單模光纖、摻F的Fujikura和Draka光纖、純硅光纖(PSC)4種光纖制作FBG，其中摻F的Fujikura和Draka光纖具有相對(duì)較小的輻射損耗，Voloshin等[23]也證實(shí)了這一結(jié)論(圖4a)。4種FBG均采用飛秒激光刻寫，然后在輻射率為1 Gy/s進(jìn)行核輻射，當(dāng)輻射量達(dá)到100 kGy時(shí)停止輻射，對(duì)其波長移動(dòng)情況進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，BWS與RIA具有相同的趨勢(shì)，摻F的Fujikura和Draka光纖刻寫的FBG具有最小的輻射損耗和波長漂移。輻射前后FBG溫度和應(yīng)變的傳感結(jié)果表明，輻射前后溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)有不同程度的變化，使用過程中需要再次定標(biāo)。同時(shí)該研究組得到摻N光纖[24]具有更好的抗輻射特性的結(jié)論。

核輻射對(duì)光纖布拉格光柵傳感器影響的作用機(jī)理一般有以下幾種觀點(diǎn)。一是輻射對(duì)光柵的影響與光纖本身的化學(xué)組成和刻寫入方法有關(guān)，F(xiàn)ernandez等[18]和Gusarov等[21]研究表明，輻射造成的布拉格波長移動(dòng)主要是由光纖纖芯的材料決定，不同材料對(duì)輻射的吸收不同，從而影響其有效折射率的改變。二是認(rèn)為光纖的成分對(duì)輻射并不敏感，輻射造成FBG波長移動(dòng)主要是由于光纖載氫過程中的氫氣壓力和光纖所受拉力造成的，沒有進(jìn)行載氫預(yù)處理的FBG經(jīng)過輻射后波長漂移是最小的[25]。第三基于色心產(chǎn)生模型[26]，色心的形成主要由于光纖在拉制過程中存在缺陷形成了缺陷能級(jí)，輻射造成的電離效應(yīng)引起缺陷能級(jí)電子電離形成色心，而色心又會(huì)對(duì)光纖的吸收光譜產(chǎn)生影響，并因此導(dǎo)致折射率變化，輻射過程中，色心不斷產(chǎn)生和湮滅，當(dāng)輻射劑量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，兩者將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，直至飽和，該模型也解釋了文獻(xiàn)[22]中FBG的BWS在一定的輻射劑量下達(dá)到飽和的現(xiàn)象。

圖4 4種不同F(xiàn)BG的輻射損耗、布拉格波長移動(dòng)、溫度變化系數(shù)和應(yīng)力變化系數(shù)[23]Fig.4 RIA and BWS of FBG and their temperature coefficient and tensile stress variation coefficient[23]

通過光纖布拉格光柵傳感器在光纖成分、載氫情況、光柵種類等方面對(duì)核輻射的響應(yīng)情況可以看出，光纖成分是對(duì)光柵波長移動(dòng)和損耗影響最大的因素，綜合分析來看，在摻F、摻有微量Ge的光纖上刻寫的布拉格光柵封裝成的傳感器在核輻射環(huán)境中受到最小的影響，該類傳感器可應(yīng)用于核輻射環(huán)境中進(jìn)行單點(diǎn)式溫度和應(yīng)變的傳感。

2.2 分布式光纖傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用

對(duì)分布式系統(tǒng)而言，傳感器設(shè)計(jì)中最關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)是傳輸距離和空間分辨率，而傳輸距離受到傳輸損耗的限制，輻射對(duì)分布式系統(tǒng)的影響也主要表現(xiàn)在輻射引起的傳輸損耗RIA上，本文對(duì)核輻射對(duì)基于3種不同散射信號(hào)的DTS系統(tǒng)的RIA影響進(jìn)行闡述。

2.2.1 基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用

瑞利散射信號(hào)是3種散射中信號(hào)最強(qiáng)的，但是由于基于瑞利散射的傳感器在制造和使用中有很多不便，同時(shí)溫度測(cè)量范圍相對(duì)較小，在核輻射方面的相關(guān)研究較少。Sang等[27]選用不同涂覆層和不同摻雜的光纖研究了幾種瑞利傳感器在DTS中的應(yīng)用，并將其溫度測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖5所示。可以看出在高中子流輻射區(qū)，輻射引起的溫度升高可到100 ℃左右。不同輻射下4種不同光纖在輻射下的變化趨勢(shì)基本一致，其中由于金屬的熱膨脹系數(shù)較大，使得銅涂覆的光纖表現(xiàn)出最大的光譜移動(dòng)。同時(shí)，可以看出摻雜對(duì)光纖的光譜移動(dòng)具有很大的影響，忽略銅涂覆層的膨脹系數(shù)差異，摻有20 % GeO的光纖具有更大的光譜移動(dòng)。其次為10%摻雜的光纖，純硅光纖具有最大的輻射不敏感性，適合用作核輻射環(huán)境中的傳感光纖。反之，摻雜的光纖對(duì)輻射極為敏感，是制作輻射劑量探測(cè)器的合適選擇。

圖5 不同種類光纖經(jīng)不同輻射下的光譜移動(dòng)[27]Fig.5 Spectral response of different types of optical fibers to the thermal environment induced by the neutron irradiation [27]

2.2.2 基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用

布里淵光纖傳感器主要受頻率調(diào)制，對(duì)輻射引起的損耗和吸收并不敏感，所以在核輻射環(huán)境中具有較大的應(yīng)用潛力[28]。

Phéron等[28]選用純硅光纖、摻微量F光纖和高摻Ge光纖進(jìn)行了對(duì)照，在經(jīng)過10 MGy的γ射線輻射后，分析了γ輻射對(duì)布里淵分布式光纖系統(tǒng)的影響。其輻射導(dǎo)致的光纖損耗和布里淵頻移情況如圖6所示。從圖6a可以清楚地發(fā)現(xiàn)，隨著輻射劑量的不斷增加，3種布里淵光纖均表現(xiàn)出輻射損耗增加的現(xiàn)象。從損耗情況來說，輕微摻雜F元素的光纖損耗最低，說明相對(duì)于裸光纖和重?fù)焦饫w而言，少量摻雜有助于光纖的抗輻射特性。同時(shí)可以看出即使對(duì)于損耗最小的光纖，在經(jīng)歷10 MGy的輻射后其損耗也達(dá)到了50 dB/km，對(duì)比不經(jīng)受核輻射的光纖，這個(gè)值已經(jīng)相當(dāng)大了。故就輻射總劑量達(dá)到10 MGy的布里淵系統(tǒng)而言，光纖的最佳傳輸距離僅為幾百米，如果輻射量增加，該距離將繼續(xù)縮短。除此之外，近幾年布里淵散射相關(guān)研究也證實(shí)了相比于摻Ge光纖，摻F光纖在布里淵散射相關(guān)傳感器方面具有更強(qiáng)的耐輻射特性[29]。圖6b中布里淵頻移的峰值情況也反映了該問題，即隨輻射劑量增加，分布式布里淵光纖傳感器性能逐漸弱化。

圖6 核輻射對(duì)基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)的影響[28]Fig.6 Effects of γ-radiation on the Brillion based distributed optical fiber sensor[28]

將3種布里淵光纖隨輻射劑量的頻移量進(jìn)行對(duì)比，可以得到表1所示的結(jié)果。布里淵頻移與光信號(hào)損耗結(jié)果表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)：3種光纖中微量摻雜的光纖具有最佳性能，經(jīng)過10 MGy輻射后頻移僅為2.3 MHz，重?fù)降墓饫w則達(dá)到了17.8 MHz，且少量摻雜F元素的光纖在輻射劑量為3 MGy后就表現(xiàn)出飽和現(xiàn)象，該結(jié)果說明輕摻F的光纖是做分布式布里淵光纖傳感器的最佳選擇。Sang等[27]指出，在將布里淵散射用作溫度傳感時(shí)，布里淵頻率每改變1 MHz意味著溫度改變1 ℃，結(jié)合該小組的研究可以認(rèn)為輻射劑量對(duì)輕微摻F光纖的布里淵頻移影響表現(xiàn)在溫度傳感中有2 ℃左右。

表1 3種光纖布里淵頻移量匯總

此外，Sang等[27]重點(diǎn)研究了基于布里淵散射的分布式光纖溫度和應(yīng)變傳感器經(jīng)過輻射后的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)，結(jié)果如圖6c、d。經(jīng)過不同劑量的γ射線輻射后，3種光纖制成的溫度和應(yīng)變傳感器還保留了線性響應(yīng)的特性，且3種光纖的溫度和應(yīng)變系數(shù)變化都不大，最大的摻F光纖溫度傳感器在經(jīng)歷10 MGy輻射后也僅變化了0.1 MHz/℃，即外界環(huán)境實(shí)際每變化1 ℃，所測(cè)溫度與標(biāo)準(zhǔn)值差不超過0.1 ℃。

綜合上述結(jié)果可以看出，基于布里淵散射的光纖傳感器在分布式測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景，其優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)都很明顯，優(yōu)勢(shì)在于核輻射對(duì)溫度和應(yīng)變系數(shù)影響不大，缺點(diǎn)是光學(xué)信號(hào)衰減較大，傳輸距離受到極大限制。微量摻雜在保持光纖中光信號(hào)衰減和布里淵頻移上具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以通過優(yōu)化光纖設(shè)計(jì)和尋找最優(yōu)摻雜濃度等方法克服使用過程中出現(xiàn)的問題。

2.2.3 基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用

拉曼散射對(duì)溫度極其敏感，因此基于拉曼散射的分布式傳感器多用于溫度傳感中，其解調(diào)機(jī)理依賴于斯托克斯光和反斯托克斯光的相對(duì)強(qiáng)度，輻射對(duì)該系統(tǒng)的影響也通過影響光信號(hào)的損耗來表現(xiàn)，然而斯托克斯光和反斯托克斯光對(duì)輻射的響應(yīng)存在差異，從而對(duì)兩種光強(qiáng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而使溫度解調(diào)出現(xiàn)異常，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行修正。對(duì)于拉曼散射分布式光纖溫度傳感器(RDTS)而言，對(duì)其信號(hào)影響最明顯的也是RIA，Kimura等[30]研究表明，溫度對(duì)RIA有很大的影響，相較于低溫，300 ℃時(shí)其衰減可減小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故RDTS多用于核反應(yīng)堆的冷卻循環(huán)過程中。常用的對(duì)拉曼散射傳感器的修正主要包括以下兩種方法：熱電偶校準(zhǔn)和環(huán)形裝置校準(zhǔn)[30]，其基本結(jié)構(gòu)可由圖7描述。圖7a所示的熱電偶校準(zhǔn)中，在一段長度為LAB的RDTS光纖起點(diǎn)A和終端B分別放置兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，由熱電偶讀出的溫度分別為TA和TB，則經(jīng)過校準(zhǔn)后距離A點(diǎn)LAC、距離B點(diǎn)LBC的任意點(diǎn)C的準(zhǔn)確溫度TC可由下式表示：

(2)

(3)

其中，k為波爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，υr為拉曼散射光的波數(shù)移動(dòng)量，IA和IS分別為對(duì)應(yīng)的反斯托克斯和斯托克斯光的光強(qiáng)，則IADR和ISDR為輻射環(huán)境中D點(diǎn)的反斯托克斯和斯托克斯光強(qiáng)分量。與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶校準(zhǔn)相比，該方法不受環(huán)境溫度場(chǎng)和輻射劑量均勻與否的影響，具有更強(qiáng)的普適性。Kimura等[30]小組的研究結(jié)果證明了該結(jié)論，他們將RDTS系統(tǒng)用在JOYO快速反應(yīng)堆中進(jìn)行溫度測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行兩種方式修正，并將修正后的結(jié)果與環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)修正后的結(jié)果與真實(shí)的輻射環(huán)境下的溫度吻合得較好，在一些輻射損耗較小的區(qū)域由于輻射造成的溫度不均勻?qū)е颅h(huán)形裝置修正優(yōu)于熱電偶修正。

環(huán)形校準(zhǔn)裝置的使用在一定程度上浪費(fèi)了光纖，于是一種新的雙端拉曼溫度傳感器應(yīng)運(yùn)而生[31]。雙端拉曼檢測(cè)方法無需進(jìn)行修正，原因在于雙端檢測(cè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此方法可用圖7c簡(jiǎn)單描述。本裝置選用普通商用光纖作為傳感元件，將光纖首末端嵌入RDTS系統(tǒng)內(nèi)部，光源從1和2兩個(gè)端口分別發(fā)出且同時(shí)檢測(cè)后向傳輸?shù)墓庑盘?hào)，如圖7c所示，將1和2端口的探測(cè)信號(hào)疊加便可將微擾、輻射等引起的損耗進(jìn)行濾除，從而實(shí)現(xiàn)只對(duì)溫度的傳感。Fernandez等[31]將這種裝置應(yīng)用于輻射環(huán)境進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，得到圖7c所示的結(jié)果。

圖7 RDTS3種校準(zhǔn)裝置 [30-31]Fig.7 Calibration set-up of RDTS[30-31]

將雙端測(cè)試的RDTS系統(tǒng)置于輻射環(huán)境中進(jìn)行溫度測(cè)試，經(jīng)過94 h和142 h輻射后，當(dāng)環(huán)境溫度不發(fā)生變化時(shí)，DTS測(cè)試的溫度漂移量僅為1 ℃，這一結(jié)果表明選用這種手段可以有效提高RDTS在輻射環(huán)境中的測(cè)量精度。同樣，將雙端測(cè)試系統(tǒng)置于輻射劑量達(dá)326.8 kGy的環(huán)境中與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)試結(jié)果對(duì)比，由于熱電偶和RDTS測(cè)試位置的差異，兩者的測(cè)試結(jié)果總是存在10 ℃左右的差值，但是核輻射前后兩者的溫度差保持在0.5 ℃，這一結(jié)果表明雙端測(cè)試的RDTS可以用于高輻射劑量環(huán)境中進(jìn)行長期溫度監(jiān)測(cè)，并能保持良好性能。

除了雙端檢測(cè)，近年來還發(fā)展起來了一種利用雙光源改進(jìn)的基于拉曼散射的分布式溫度傳感器[32]。該方法使用雙光束入射將產(chǎn)生的斯托克斯光和反斯托克斯光限制在波長不同的雙光束內(nèi)，使得兩種拉曼散射光信號(hào)自行校正，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗輻射特性，該系統(tǒng)可工作于輻射劑量為MGy量級(jí)的高輻射環(huán)境中。通過對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將有可能實(shí)現(xiàn)0.2 ℃的高精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，摻P的光纖對(duì)輻射較為敏感，適合用作核輻射探測(cè)器；反之，摻F的光纖具有更強(qiáng)的耐輻射特性。

2.3 光纖法布里-珀羅(FP)傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用

在核輻射環(huán)境中，由于輻射導(dǎo)致的波長選擇性吸收，光纖FP傳感器表現(xiàn)出較大的信號(hào)衰減，且輻射結(jié)束后信號(hào)幾乎沒有恢復(fù)的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了其在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用；而即使只經(jīng)過小劑量的核輻射，應(yīng)力傳感器的信號(hào)也直接衰減到探測(cè)極限以下，傳感器不能正常運(yùn)行。由此可見，光纖FP傳感器更適合用作溫度傳感。

對(duì)于光纖FP溫度傳感器而言，輻射主要通過改變傳感器的熱光系數(shù)來影響其溫度傳感特性。周次明等[3,11]研究表明，該類傳感器只適合于輻射量不高于1 MGy的環(huán)境下，此時(shí)傳感器的熱光系數(shù)改變量約為3%，得益于信號(hào)處理技術(shù)的升級(jí)和功率損耗的降低，現(xiàn)有傳感器可承受的核輻射劑量不斷提高，有些已經(jīng)達(dá)到1.33 MGy。

由此可見，相比于光纖布拉格光柵傳感器和分布式光纖傳感器，光纖FP傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用受到極大的限制，這類傳感器能承受的核輻射劑量僅為MGy量級(jí)；相對(duì)于其他兩種類型的光纖傳感器，其升級(jí)和應(yīng)用更多依賴于信號(hào)處理系統(tǒng)。

3 存在問題與未來發(fā)展方向

本文通過綜述光纖傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用研究進(jìn)展，對(duì)其受核輻射影響下的損耗情況和性能改變進(jìn)行了闡述。對(duì)于FBG傳感器而言，核輻射對(duì)其最大的影響主要表現(xiàn)在布拉格波長受核輻射引起的漂移。通過對(duì)照幾種不同成分、不同涂敷層的光纖可以看出，摻F光纖制成的FBG在輻射環(huán)境中具有最佳的穩(wěn)定性。對(duì)于分布式光纖傳感器，基于布里淵散射和拉曼散射的DTS更具潛力，分布式光纖布里淵傳感器在較高強(qiáng)度的核輻射下僅出現(xiàn)2 ℃左右的溫度漂移，而經(jīng)過特殊手段修正或選擇合適的裝置后RDTS可將溫度漂移縮小到1 ℃左右。而基于法布里-珀羅腔的光纖傳感器則由于其自身的性質(zhì)在核輻射環(huán)境中運(yùn)行受到較大限制。

但是，核輻射環(huán)境下的光纖傳感器應(yīng)用當(dāng)前仍處于研究階段，距離大規(guī)模應(yīng)用于核反應(yīng)堆、核電站、核廢料處理等場(chǎng)所和環(huán)節(jié)，為核能產(chǎn)業(yè)的安全有序生產(chǎn)提供精確參考還有很長的路要走?；谀壳暗膽?yīng)用研究現(xiàn)狀，認(rèn)為該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

(1)光纖布拉格光柵傳感器

由于光纖材料本身受到核輻射影響會(huì)產(chǎn)生損耗，主要的研究工作將集中在制造強(qiáng)輻射下低傳輸損耗的、具有更高的強(qiáng)度和耐久性的光纖。國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)已制備出室溫下輻射前損耗為1.25 dB/km，輻射終止后1000 s最大衰減常數(shù)僅為2.75 dB/km的光纖。與此同時(shí)，光纖材料摻雜也是應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展的方向，如摻F、摻N、表面涂碳和藍(lán)寶石基等光纖，其中利用涂碳光纖制作的分布式裂縫傳感器可達(dá)到0.02 mm分辨率和1～4.5 nm的動(dòng)態(tài)范圍。然而，制約這些特種光纖大規(guī)模應(yīng)用的最大問題是成本高。

(2) 分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器一般需要進(jìn)行校準(zhǔn)，其發(fā)展方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別算法和解調(diào)軟件的不斷升級(jí)。通過優(yōu)化使得機(jī)箱尺寸不斷變小，便攜式分布式傳感器將成為現(xiàn)實(shí)。將具有抗輻射特性的光纖與分布式傳感器相結(jié)合，有望在核輻射環(huán)境中得到更好的應(yīng)用。

(3)光纖FP傳感器

該類傳感器的發(fā)展也有賴于抗輻射光纖材料本身功率損耗的降低和信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，這是包括電子類器件在內(nèi)所有傳感器的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

綜上所述，要推進(jìn)光纖傳感器在核輻射環(huán)境中的應(yīng)用，發(fā)展耐輻射光纖是重中之重。同時(shí)，還需要優(yōu)化配備的校準(zhǔn)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)光纖傳感器在核輻射中的商業(yè)化應(yīng)用，從而為核環(huán)境的安全運(yùn)行提供可靠保證，為核技術(shù)造福全人類助力。