Y-11(200)MS型波移光纖彎折工藝研究

林冰璇 蔣俊杰 鄒賀潮 趙子濱 黎世杰 劉曉雅 魏亞東

(1.東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東東莞 523808；2.莞理工學(xué)院 科技創(chuàng)新研究院，廣東東莞 523808)

20世紀(jì)50年代初期，我國已開展了輻射探測器的研究工作，先后研制成功了原子核乳膠、蓋革計(jì)數(shù)管、碘化鈉(鉈)閃爍體等。在五十年代末、六十代初，各種閃爍體探測器、半導(dǎo)體探測器的研究工作也相繼開展。其中，閃爍體核探測具有發(fā)光衰減時(shí)間短、探測效率高等特點(diǎn)，尤其是液體以及塑料閃爍體材質(zhì)的可塑性使得其應(yīng)用范圍更加廣泛[1]。而閃爍體中子探測器因具有效率高、時(shí)間分辨能力強(qiáng)、n-v甄別能力良好、價(jià)格相對便宜等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍較為廣泛[2]。由于閃爍探測器對于快中子的探測效果最好，所以閃爍體多用于對快中子的探測。

大多數(shù)閃爍體中子探測器探測器在探測時(shí)，會(huì)用到中子散射技術(shù)，該技術(shù)作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針，以其獨(dú)特的研究優(yōu)勢成為前沿科學(xué)研究和新材料、新工藝研發(fā)等眾多研究領(lǐng)域的有力工具[3]。如今，閃爍體探測器漸漸趨于成熟，但是目前仍存在光產(chǎn)額低、靈敏度差等缺陷。因此，許多學(xué)者開始對一些新探測材料進(jìn)行研制，以期提升探測器的光產(chǎn)額以及靈敏度[1]。另外，國內(nèi)外開始研究同時(shí)能給出入射粒子位置、能量、時(shí)間等多種信息的組合型探測器和探測裝置，更好地滿足探測需要。

閃爍體中子探測器的信號產(chǎn)生大致需要經(jīng)過三步即中子入射到某些物質(zhì)中沉積能量產(chǎn)生光子，光電元件將光子轉(zhuǎn)化為電流信號，電子學(xué)板將信號甄別整形并記錄，達(dá)到中子探測的目的。

作為發(fā)展中國家擁有的第一個(gè)散裂中子源研究平臺(tái)，中國散裂中子源(CSNS)項(xiàng)目于2008年在廣東東莞動(dòng)工，于2018年8月23日通過驗(yàn)收，在2019年2月2日完成首輪開放運(yùn)行任務(wù)。中國散裂中子源填補(bǔ)了國內(nèi)脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白，為中國物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)研發(fā)提供了強(qiáng)有力的研究平臺(tái)。

1 波移光纖的選型

波移光纖作為中子探測器的重要組成元件，其性能參數(shù)——光衰減長度、彎轉(zhuǎn)損耗等等直接影響探測器的性能。選用的Y11(200MS)型光纖是否能滿足探測器的測量需求，是能否提高探測器探測效率及分辨率的關(guān)鍵。因而波移光纖能滿足探測器的工作需要與否，是十分重要的一項(xiàng)考量任務(wù)，選用Y-11(200)MS型光纖[4]，是基于其可以最大限度地滿足探測器的工藝需求。

Y-11(200)MS型光纖直徑1 mm，為雙包層結(jié)構(gòu)，中心材料為聚苯乙烯，內(nèi)外包層分別以聚甲基丙烯酸甲酯、氟化聚合物為材料制成。三層材料的折射率、密度各不相同，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光纖材料參數(shù)

波移光纖可以接收側(cè)入光以輸出信號，不同于普通光纖只能依賴光的入射角度。如圖1所示，側(cè)入光經(jīng)芯層中的波移物質(zhì)吸收重發(fā)射后，沿4立體角發(fā)射，當(dāng)發(fā)射光子的出射角度大于臨界角時(shí)，在光纖內(nèi)全反射傳輸?shù)焦饫w兩端端口處。簡而言之，波移光纖不需要光的端口傳輸，信號的輸出不依賴于光的入射角度。

圖1 波移光纖結(jié)構(gòu)及工作原理圖解

Y-11(200)MS型光纖為藍(lán)轉(zhuǎn)綠移位器，可將入射的藍(lán)光轉(zhuǎn)換成綠光出射。由表2的數(shù)據(jù)可知，Y-7(100)、Y-8(100)型波移光纖也是藍(lán)轉(zhuǎn)綠移位器。但是Y-11(200)MS型光纖有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是光衰減長度長、光產(chǎn)額高，更能滿足工藝生產(chǎn)需求。而且，三種光纖的吸收和發(fā)射光譜的波長范圍以及曲線走勢大致相似，但是，在相近的波長范圍內(nèi)，Y-11(200)MS型光纖的傳輸損耗總是低于其他兩種波移光纖，更有利于傳輸。

表2 Kurraray波移光纖參數(shù)對比

2 光衰減長度測試

圖2 光衰減長度測試系統(tǒng)示意圖

光纖的光衰減長度大小直接影響光信號的傳輸距離或中距站間的遠(yuǎn)近，因此，較長的光衰減長度對光纖通信具有極大的意義。在探測器設(shè)計(jì)中，光纖的使用長度需控制在2 m以內(nèi)，確保到達(dá)光電倍增管的光子數(shù)能滿足電子學(xué)的觸發(fā)需求[5]。因此，選用的Y-11(200)MS型光纖需要保證光衰減長度在2 m以上，才能更好滿足工藝生產(chǎn)需求。

對于雙包層光纖，滿足以下方程，即：

(1)

其中，I為傳輸?shù)紺CD的光強(qiáng)度，為初始光強(qiáng)度，L為光子在光纖中的傳輸距離，λ為光衰減長度。

圖3 測試平臺(tái)

測試時(shí)將光纖固定在圖3所示的光學(xué)平臺(tái)，光纖一端連接CCD光譜儀，CCD通過USB連接到PC機(jī)，并使用CCD配套軟件獲取光譜圖。在導(dǎo)軌上不斷移動(dòng)光源，改變光子在光纖中的傳輸距離L，得到不同的光譜信息，如圖4所示。其中，峰值最高的曲線L為19 cm，隨后依次隔5 cm獲得一組曲線，共16組。重復(fù)多組實(shí)驗(yàn)得到的圖像基本相同。由所得圖像可知，CCD光譜儀接收到的光譜波長范圍為480～620 nm，峰值約在500 nm處，此后光子衰減速度較大，到達(dá)550 nm后衰減速度有所減低。

圖4 不同位置上的光譜

圖5 關(guān)于光衰減長度的曲線擬合

3 彎折后的光損耗測試

在運(yùn)用閃爍體探測器進(jìn)行探測時(shí)，由于光纖彎轉(zhuǎn)有一定半徑，探測器必然存在探測死區(qū)，為減小探測死區(qū)，光纖彎轉(zhuǎn)半徑應(yīng)盡可能小，但是，過小的彎轉(zhuǎn)半徑又會(huì)造成較大得彎轉(zhuǎn)損耗[6]。因此，開展光纖90°彎轉(zhuǎn)工藝的研究，對減小探測死區(qū)具有重要意義。

圖6 測試距離圖示

測試中，光纖被彎折成90°，先將CCD 連接在光纖的A端口處，讓LED光源從A點(diǎn)處入射，得到A處的光強(qiáng)度IA，IA滿足式(2)，即：

(2)

將光源移到B點(diǎn)，得到A處的光強(qiáng)度IB，假設(shè)光子經(jīng)歷一次90度彎折后損失為η，則IB滿足式(3)，即：

(3)

對式(2)、式(3)進(jìn)行處理，即：

(4)

其中，假設(shè)

(5)

則

(6)

K為光纖未經(jīng)彎折時(shí)光子位于A、B兩點(diǎn)的光強(qiáng)度之比。由圖7可得到K值為0.858 92，由公式即可求得彎折損耗η。在得到A端光損耗后，需將CCD移到B端再次求光纖彎折損耗，最后取A、B端損耗的平均值。經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)后，彎折損耗η為5.53%，低于工藝要求的光損耗10%。

圖7 A、B點(diǎn)光譜

4 結(jié)語

通過對Y-11(200)MS型光纖的光衰減長度和彎折損耗的測試實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)中選用的光纖是否滿足工藝需求。最終，在多次反復(fù)測試后，測得光衰減長度為2.67 m，波移光纖的彎折損耗為5.53%。

考慮到閃爍體探測器內(nèi)光電倍增管需要有足夠多的電子數(shù)到達(dá)以確保滿足電子學(xué)的觸發(fā)需求，波移光纖的光衰減長度應(yīng)該在2 m以上。在反復(fù)測試中，得到的實(shí)際光衰減長度明顯大于2 m，可以更好地滿足后續(xù)電子學(xué)的觸發(fā)需求。再者，利用水浴法將光纖彎折90°，需要達(dá)到光纖的彎折損耗在10%以下的工程要求。在多次側(cè)量中，取得的實(shí)際彎折損耗為5.53%，可以使探測器的探測盲區(qū)進(jìn)一步縮減。