В.Б. Ромашова1, М.О. Жукова2
1 Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения
2 АО «АО «ЛЛС» »
3 ООО «ОЭС Спецпоставка»
ВВЕДЕНИЕ
Компоненты и системы, предназначенные для работы в агрессивных средах и подверженные воздействию радиации, требуют определенной конструкции и должны обладать специальными свойствами. Необходимость создания систем, применяющихся для исследования космического пространства, авиации и навигации, требует все более устойчивых и стабильных оптических приборов [1-3], способных выдерживать ионизирующее излучение.
В стандартных оптических волокнах под воздействием радиации возникают точечные дефекты [4], называемые центрами окраски (ЦО). Эти центры поглощают излучение, распространяющееся по волокну. Результатом поглощения становятся потери сигнала вплоть до полной утраты работоспособности системы. Радиационно-стойкие волокна помогают минимизировать воздействие ионизирующего излучения.
Основным фактором, отвечающим за стойкость волокна в условиях радиации, является отсутствие в сердцевине волокна примесей германия (Ge). Повышение радиационной стойкости достигается исключением примесей германия и прочих добавок за исключением фтора (F). Как показали исследования, небольшая добавка фтора в сердцевину позволяет улучшить показатели.
Крупнейшие зарубежные компании, производящие волокно, имеют модели, разработанные специально для сложных условий эксплуатации. Ниже представлен обзор некоторых из них.
ОБЗОР РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ВОЛОКОН КОМПАНИИ NUFERN
Компания Nufern (США) выпускает такие версиирадиационно-стойкого волокна как R1310-HTA и S1550-HTA. Как и все волокна, предназначенные для передачи информации, данные версии оптимизированы для работы на длинах волн 1310/1550нм, а также являются устойчивыми к электромагнитному и электрическому полю, обладают высокой прочностью и механической надежностью, имеют высокотемпературный акрилат в качестве стандартного покрытия. На рисунке 1 приведены результаты сравнения [5] затухания излучения в вышеописанных волокнах Nufern со стандартным волокном SMF28 при воздействии ионизирующего излучения разной дозы.
Как видно из графика, волокна Nufern серии HTA обладают значительно меньшим затуханием, например, при дозе ионизирующего излучения в 40 крад (что соответствует значению 0,4 Гр или 0,4 Дж/кг) затухание принимает значение 1, 3 и 6 дБ/км для волокон S1550-HTA, R1310-HTA и SMF28 соответственно.
Рисунок 1 – Сравнение зависимости затухания в волокнах Nufern и SMF28 от накопленной дозы [5]
ОБЗОР РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ВОЛОКОН КОМПАНИИ J-FIBER
Компания j-fiber (Германия) производит специальные радиационные волокна серии R.H., как одномодовые (SM), так и многомодовые (MM). Все волокна соответствуют международным стандартам G.652.B и TIA/EIA 455-64 [6-7].
Производитель j-fiber предоставляет более развернутые данные о проводимых испытаниях своих волокон на радиационную стойкость [8]. Приведем некоторые из них (см. Табл. 1). Многомодовые и одномодовые волокна в ходе испытаний подвергались воздействию импульсного и непрерывного излучения.
Таблица 1. Параметры тестирования волокон j-fiber
|
Волокно/параметры |
ММ |
SM |
|||
|
Сердцевина, мкм |
50/62,5 мкм |
9 мкм |
|||
|
Воздействие непрерывным излучением |
23 рад/с или 0,23 Гр/с |
73 рад/с или 0,73 Гр/с |
|||
|
Воздействие импульсным излучением |
2700 рад/ 27Гр При длительности импульса в 50 нс |
||||
|
Максимальная доза |
1*105рад/ 1,104Гр |
||||
|
Затухание, дБ/100м |
835 нм |
20,8 для CW |
0,96 для импульсной |
|
|
|
1310 нм |
1,2 для CW |
0,12 для импульсной |
Менее 1 для импульсной |
||
|
1550 нм |
- |
Менее 30 для CW |
|||
ОБЗОР РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ВОЛОКОН КОМПАНИИ OFS
Компани OFS (США) также занимается производством радиационно-стойкого волокна, но уже с сохранением поляризации (PM) серии GyroSil. Результаты сравнения и тестирования таких волокон представлены у производителя на сайте. На рисунке 2 приведен график затухания в зависимости от накопленной дозы ионизирующего излучения. Показано, что при накопленной дозе излучения в 1 рад GyroSil Rad-Hard волокно обладает примерно в пять раз меньшим затуханием при сравнении с волокном SMF28.
Рисунок 2 – Сравнение зависимости затухания в волокнах OFS, SMF28 и Sumitomo от накопленной дозы [9-10]
РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ ВОЛОКНА РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
В последнее время российские производители волоконных устройств и систем все чаще сталкиваются с вопросом импортозамещения, наблюдается активный рост российской волоконной индустрии. Например, в работе [4] описаны достижения НЦВО РАН, совместно с НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ и ИХВВ РАН.
Новейшим оборудованием для производства заготовок и башней для вытяжки специальных и телекоммуникационных волокон может похвастаться и Пермская научно-производственная приборостроительная компания (ПАО «ПНППК»). Уже реализовано производство следующих волокон [11]: одномодовое изгибоустойчивое, многомодовое, активное эрбиевое, волокно с сохранением поляризации и волокна с термостойким силиконовым и полиимидным покрытиями. Особой гордостью является радиационно-стойкое волокно. Помимо радиационно-стойкого изотропного одномодового волокна, ПАО «ПНППК» также производит радиационно-стойкое волокно с сохранением поляризации для гироскопических применений. В таблице 2 представлены основные характеристики таких волокон [12]. Образцы волокна были испытаны в Российском федеральном ядерном центре экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) на воздействие непрерывного и импульсного излучения. Волокно полностью подтвердило заявленные характеристики. При облучении волокна дозой в 100 крад с мощностью дозы 100 рад/с потери составляют не более 5 дБ/км, через 10 мин. после воздействия – не более 1,5 дБ/км. На рисунке 3 приведены зависимости затухания от накопленной дозы образцов радиационно-стойкого волокна, сохраняющего поляризацию, разработки и производства ПАО «ПНППК».
Таблица 2. Характеристики волокон ПАО «ПНППК»
|
Наименование параметра |
Рад.-стойкое изотропное волокно |
Рад.-стойкое PMволокно «Панда» |
|
|
Длина волны отсечки, мкм |
1,37 ± 0,15 |
1,10 ± 0,15 |
1,37 ± 0,15 |
|
Числовая апертура |
0,16 ± 0,02 |
||
|
Диаметр модового поля |
8,6 ± 0,6 |
7,6 ± 0,8 |
8,6 ± 0,6 |
|
Рабочая длина волны (λраб), мкм |
1,55 |
1,31 |
1,55 |
|
Коэффициент затухания на транспортной катушке диаметром 170 мм на рабочей длине волны, дБ/км, не более |
1,5 |
||
|
Радиационно-наведенное поглощение, дБ/км (оптическая мощность 5 мВт, радиационное излучение с дозой 100 крад, мощность дозы 100 рад/с, +25°С) |
5 |
||
|
Радиационно-наведенное поглощение через 10 минут после воздействия, дБ/км, не более |
1,5 |
||
Рисунок 3 – Зависимости затухания от накопленной дозы образцов радиационно-стойких волокон, сохраняющих поляризацию. На графике также приведены кривые релаксации. Доза 100 крад, мощность дозы 100 рад/с, температура + 25 °С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Не может не радовать, что российские производители идут в ногу со временем и выпускают продукцию на уровне мировых лидеров. Особенно важен тот факт, что радиационно-стойкие волокна могут решить проблему передачи сигнала в сложных условиях эксплуатации. Такие системы, как волоконные гироскопы, оптические акселерометры, системы наведения и стыковки космических аппаратов могут быть значительно улучшены и использованы в дальнейшем в аэрокосмической и исследовательской деятельности. Кроме того, такие отечественные оптические волокна могут применяться в системах мониторинга скважин и АЭС.
Компания «ОЭС Спецпоставка» представляет весь спектр продукции производителей Nufern, j-fiber и OFS на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции и полную техническую поддержку и предоставление образцов. Получить дополнительную информацию вы можете на сайте производителя или обратившись в компанию «ОЭС Спецпоставка».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Севастьянов Н. Н. и др. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли //Труды Московского физико-технического института. 2009. Т. 1. №. 3. С. 14-22.
- Хуторовский З. Н. и др. Анализ вклада оптических средств наблюдения РАН в контроль космического пространства в 2016-2017 гг //Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2017. №. 4-2. С. 140-147.
- Джашитов В. Э., Панкратов В. М., Барулина М. А. Датчик температур для мониторинга и диагностики ракетно-космической техники в условиях тепловых ударов //Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. №. 3. С. 24-28.
- Томашук А.Л., Дворецкий Д.А., Лазарев В.А., Пнев А.Б., Карасик В.Е., Салганский М.Ю., Кашайкин П.Ф., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Отечественные радиационно-стойкие волоконные световоды // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2016. №5 (110).
- Alam M., Abramczyk J., Manyam U., Farroni J., & Guertin D. Performance of optical fibers in space radiation environment //International Conference on Space Optics—ICSO 2006. International Society for Optics and Photonics, 2017. V. 10567. P. 105672M.
- Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля. Международный союз электросвязи - https://handle.itu.int/11.1002/1000/13076-en.
- Friebele E. J. Procedure for measuring radiation-induced attenuation in optical fibers and optical cables // AA(Naval Research Lab., Washington, DC.). – 1992.
- Электронный ресурс - https://www.j-fiber.com/en/products-services/special-optical-fibers/radiation-hard-fibers/.
- M. Alam et al, “Passive and active optical fibers for space and terrestrial applications”, Proc. SPIE, Vol.
6308 (2006)
- Электронный ресурс - https://sumitomoelectric.com/.
- Кель О.Л., Носова Е А., Первадчук В.П. Применение эрбиевых волокон производства Пермской научно-производственной приборостроительной компании в высокостабильных широкополосных источниках излучения для волоконного оптического гироскопа //Фотон-экспресс. 2017. Т. 6. №. 6. С. 20-20.
- Азанова И.С., Цибиногина М.К., Димакова Т.В., Вохмянина О.Л., Шаронова Ю.О., Поспелова Е.А., Кашайкин П.Ф., Миронов Н.К., Филиппов А.В., Таценко О.М., Левченко А.Е., Томашук А.Л. Радиационно-стойкие двулучепреломляющие световоды типа «панда» для применений на космических летательных аппаратах и в условиях воздействия импульсного ионизирующего излучения //Фотон-экспресс. 2017. Т. 6. №. 6. С. 119-120.
