掺锗石英光纤的稳态和瞬态γ辐射效应研究

黄绍艳，肖志刚，刘敏波，盛江坤，王祖军，何宝平，姚志斌，唐本奇

（西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安 710024）

掺锗石英光纤的稳态和瞬态γ辐射效应研究

黄绍艳，肖志刚，刘敏波，盛江坤，王祖军，何宝平，姚志斌，唐本奇

（西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安 710024）

开展了掺锗石英光纤在1.0×10－4～0.5 Gy（Si）／s剂量率下的稳态γ辐照实验和106～109Gy（Si）／s剂量率下的瞬态γ辐照实验。结果表明：光纤辐射感生损耗与辐照总剂量呈饱和指数关系，与色心浓度微分方程推导出的结论相一致。在辐照总剂量相同的情况下，光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的增大而增大。辐照期间有光注入较无光注入时的光纤辐射感生损耗低，证实了光褪色效应的存在。对实验用650、850和1 310 nm 3个波长，光纤辐射感生损耗随波长的增大而减小。与光纤稳态辐射感生损耗相比，光纤瞬态辐射感生损耗要大得多；光纤瞬态辐射感生损耗峰值与脉冲总剂量呈线性关系，这与饱和指数关系在低剂量下的泰勒展开近似一致。

掺锗石英光纤；稳态；瞬态；辐射感生损耗

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

光纤具有信息传输容量大、抗电磁干扰强、使用轻便等优点，使其应用领域不断扩展。电离辐射环境会使光纤传输损耗增大，从而影响光纤系统的工作性能。为了对工作在稳态和瞬态电离辐射环境中的光纤传输损耗进行评估，需开展电离辐射环境下光纤辐射感生损耗的变化规律研究。本文以渐变多模掺锗石英光纤为研究对象，开展1.0×10－4～0.5 Gy（Si）／s剂量率下的稳态γ辐照实验和106～109Gy（Si）／s剂量率下的瞬态γ辐照实验，获得光纤辐射感生损耗随辐照总剂量、剂量率、传输波长及注入光强度的变化规律，研究结果可为辐射环境下掺锗石英光纤辐射感生损耗的评估提供数据支持。

1 光纤辐射感生损耗特性分析

光纤辐射感生损耗源于色心的形成，在光纤材料中经常存在悬挂键、氧空位、过氧基及与杂质有关的多种缺陷，电离辐射导致的电子、空穴在这些缺陷处的束缚便形成了色心［1－4］，即辐照前的缺陷是辐照后色心的先质。先质的浓度可用微分方程［5］表示为：

式中：n0和n分别为先质的初始浓度和瞬时浓度；kg和ka分别为色心的产生率和退火率。

式（1）右边第1项为先质转变为色心导致先质浓度的下降，第2项为色心的退火。色心产生率与辐照剂量率D呈正比，即：

对式（1）进行求解为：

色心的浓度nc为：

可看出，随辐照时间的延长，色心浓度会达到饱和，饱和水平取决于色心的产生率和退火率。

光纤的辐射感生损耗αdB与色心浓度呈正比，则：

式中，kl为单位色心浓度引起的光纤辐射感生损耗。

将辐照时间表示为辐照总剂量D与辐照剂量率D之比，则：

由式（6）可看出，光纤辐射感生损耗随辐照总剂量的变化满足αdB＝a（1－e－bD）（a、b为拟合系数）形式的饱和e指数规律，随辐照总剂量的增大，光纤辐射感生损耗会达到饱和，饱和水平与辐照剂量率有关，辐照剂量率越高，kg越大，则饱和损耗越大。

2 稳态γ辐照实验及结果

2.1 实验

稳态γ辐照实验在西北核技术研究所的60Coγ源上进行，辐照剂量率包括1.0×10－4、1.0×10－3、0.01和0.5 Gy（Si）／s。实验用光纤为62.5／125渐变多模掺锗石英光纤，光纤长度为32 m。为在测试过程中不损坏光纤，在裸光纤两端1 m长度包有塑套，端头使用FC型连接器。测试光源主要用850 nm的发光二极管，为分析传输波长对光纤辐射感生损耗的影响，测试光源采用波长分别为1 310 nm和650 nm的激光二极管，利用光功率计进行光纤传输功率的测试。

2.2 实验结果与分析

图1为1.0×10－4、1.0×10－3、0.01和0.5 Gy（Si）／s 4种剂量率下光纤辐射感生损耗随辐照总剂量的变化情况，其中离散点是实验测试结果，曲线是利用αdB＝a（1－e－bD）的关系进行拟合得到。由图1可看出，不同辐照条件及测试条件下，光纤辐射感生损耗随辐照总剂量的变化均遵循式（6）。从图1还可看出，辐照总剂量相同的情况下，光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的增大而增大。这是由于辐照剂量率越大，辐照到相同总剂量所需时间越短，色心的退火相对越少，因此光纤辐射感生损耗越大。图2为辐照总剂量为1 000 Gy（Si），光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的变化情况，其中离散点对应的是上述4种剂量率辐照下的实验结果，实验结果可利用αdB＝p1／（1＋D－p2）＋p3关系进行拟合，其中p1、p2、p3为正的拟合系数。由图2可看出，在较大的剂量率范围内，光纤辐射感生损耗随剂量率的增大而增大，但当辐照剂量率低到一定程度或高到一定程度时，光纤辐射感生损耗趋于平坦，将不再随剂量率而改变。这是因为辐照剂量率低到一定程度时，色心产生率与退火率趋于平衡；辐照剂量率高到一定程度时，色心产生率远大于退火率，退火率可忽略。根据式（6）可知，两种极端辐照剂量率情况下，色心产生率与退火率之间的关系使光纤辐射感生损耗仅取决于辐照总剂量，而与辐照剂量率无关。

图1 不同辐照剂量率下光纤辐射感生损耗随辐照总剂量的变化Fig.1 Radiation induced loss in optical fiber vs total dose with different dose rates

图2 光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的变化Fig.2 Radiation induced loss in optical fiber vs dose rate

为比较辐照期间光注入对光纤辐射感生损耗的影响，辐照期间光纤处于两种状态：1）未注入光；2）注入850 nm的光信号。图3为 0.01 Gy（Si）／s辐照剂量率下，光纤辐照期间注入10μW光和未注入光两种情形下的光纤辐射感生损耗（图中曲线是利用αdB＝a（1－e－bD）的关系进行拟合得到）。由图3可看出，与未注入光的光纤相比，辐照期间有光注入的光纤辐射感生损耗较小，这归因于光褪色效应［68］，光褪色也就是光注入导致色心的减少，这使光纤辐射感生损耗降低。因此光褪色是光纤抗辐射加固的一种有效措施［9］。

图3 注入光与未注入光情形下光纤辐射感生损耗Fig.3 Radiation induced loss in optical fiber vs total dose with and without injected light

光纤辐射感生损耗与传输波长有关，图4为1.0×10－3Gy（Si）／s辐照剂量率下，650、850和1 310 nm 3种传输波长的光纤辐射感生损耗随辐照总剂量的变化关系（图中曲线是利用αdB＝a（1－e－bD）的关系进行拟合得到）。由图4可看出，波长650 nm的光信号损耗随辐照总剂量的增大快速上升，1 310 nm的光信号损耗变化不大，850 nm的光信号损耗介于两者之间。在相同辐照总剂量下，光纤辐射感生损耗随传输波长的变化趋势取决于光纤的吸收带，掺锗硅芯光纤的主要吸收带峰值在紫外区［1，10］，因此，从紫外到红外波段，光纤辐射感生损耗基本随波长的增大而减小。

图4 不同传输波长下光纤辐射感生损耗随辐照总剂量的变化Fig.4 Radiation induced loss in optical fiber vs total dose with different wavelengths

3 瞬态γ辐照实验及结果

3.1 实验

瞬态γ辐照实验在西北核技术研究所强光一号加速器上进行，瞬态辐照实验用光纤与稳态实验用光纤源于同一批次。瞬态γ辐照实验用光纤长度包括0.5、1、2、3、5和32 m，其中短光纤用于高剂量辐照、长光纤用于低剂量辐照，这样确保不同剂量的辐照在探测器上均有适度的响应，为操作方便，5 m以内长度的光纤均包有塑套。为使实验用光纤受到均匀辐照，在不影响弯曲损耗的情况下将光纤尽量盘成小圈。根据辐射场强度随距离的衰减性质，将长光纤置于离靶面较远处，短光纤置于较近处，分别受106～109Gy（Si）／s剂量率的γ辐照。测试系统由850 nm发光二极管、Si光电探测器和示波器组成，发光二极管发出的光信号经传输光纤传输至被辐照光纤，而后再经传输光纤传输回来并连接至Si光电探测器，利用示波器对光电探测器输出电信号进行测试并记录。

3.2 实验结果与分析

光纤在不同剂量率的脉冲γ辐照下，记录的光电信号波形是相似的，图5为光纤受脉冲γ辐照的典型时域波形，光电信号先快速下降，下降至峰值后开始逐渐恢复。与光纤稳态辐射感生损耗相比，光纤瞬态辐射感生损耗要大得多。

根据不同剂量率脉冲γ辐照下的时域波形，可计算出光纤辐射感生损耗，结合相应的脉冲总剂量测试结果，可获得光纤辐射感生损耗峰值随脉冲总剂量的变化关系（图6a），图6b为图6a的局部放大图，可看出，光纤辐射感生损耗峰值与脉冲总剂量呈线性关系，这与文献［11－12］给出的光纤瞬态效应研究的结论是一致的。光纤辐射感生损耗峰值随脉冲总剂量的线性变化关系与式（6）给出的饱和e指数关系并不矛盾，将式（6）进行泰勒展开，在总剂量较低时，取一级近似，即可得到辐射感生损耗与总剂量之间的线性关系。

图5 脉冲γ辐照光纤示波器记录波形Fig.5 Oscilloscope waveform of pulseγirradiation in optical fiber

图6 光纤瞬态辐射感生损耗峰值随脉冲总剂量的变化关系Fig.6 Peak magnitude of transient radiation induced loss in optical fiber vs pulse total dose

比较图1、6可看出，相同总剂量下，光纤瞬态辐射感生损耗较稳态辐射感生损耗高出数个量级，如辐照50 Gy（Si）总剂量，光纤瞬态辐射感生损耗约为20 dB／m，而光纤稳态辐射感生损耗约为0.01 d B／m，这主要是因为辐照相同总剂量时，瞬态辐照期间色心的退火远小于稳态辐照期间色心的退火。

4 结论

掺锗石英光纤的辐射感生损耗与辐照总剂量呈饱和e指数关系，这意味着光纤辐射感生损耗随辐照总剂量增大的速率会逐渐减小，直至达到饱和。在辐照总剂量相同的情况下，光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的增大而增大，同时光褪色效应的存在使辐照期间有光注入的光纤辐射感生损耗降低。掺锗石英光纤辐射感生损耗峰值波长位于紫外区，因此对通信中常用的1 310或1 550 nm波长光损耗很小。与稳态辐射效应相比，实验用掺锗石英光纤对脉冲γ辐照敏感得多，在实验剂量范围内，光纤辐射感生损耗峰值与脉冲γ辐射剂量之间呈线性关系，这与饱和指数关系在低剂量下的泰勒展开近似是一致的。

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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

黄绍艳（1971—），女，辽宁凌源人，副研究员，硕士，从事光电器件辐射效应研究