石英保偏光纖在輻照環(huán)境下性能退化規(guī)律與機(jī)理.pdf

1、光纖陀螺儀作為精確定位和導(dǎo)航儀器在航天技術(shù)中被廣泛應(yīng)用,空間輻照環(huán)境效應(yīng)能夠影響其正常工作狀態(tài),其中光纖在空間輻照條件下的性能退化是影響光纖陀螺儀定位精度的重要原因。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)“熊貓”型和“一”字型兩種石英保偏光纖,系統(tǒng)研究了在不同劑量率伽馬射線、不同能量電子和質(zhì)子輻照條件下輻照誘導(dǎo)損耗的變化規(guī)律,以及光纖中輻照缺陷的形成和演化機(jī)制,揭示了石英保偏光纖輻照誘導(dǎo)損耗增加的本質(zhì),建立了輻照條件下石英保偏光纖輻照誘導(dǎo)損耗變化的數(shù)學(xué)模型,研究

2、結(jié)果可以為提高國(guó)產(chǎn)石英保偏光纖空間環(huán)境適應(yīng)性及在軌運(yùn)行的可靠性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持和理論參考。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明,輻照粒子在一定的能量范圍內(nèi),兩種石英保偏光纖的輻照誘導(dǎo)損耗均有明顯增加。對(duì)于帶電粒子輻照,只有射程達(dá)到纖芯位置時(shí)才對(duì)光傳輸特性產(chǎn)生影響,電子和質(zhì)子的最低能量閾值分別為100keV和2.5MeV。石英保偏光纖輻照誘導(dǎo)損耗隨輻照劑量(或注量)增加呈含有e指數(shù)的變化規(guī)律:開(kāi)始階段增加較快,然后趨緩,最后達(dá)到飽和。光纖的輻照誘導(dǎo)損

3、耗與輻照粒子類型、能量、劑量率(或束流密度)、通光條件及光纖類型等因素密切相關(guān)。大劑量率條件下輻照誘導(dǎo)損耗比小劑量率時(shí)大,通光輻照條件下輻照誘導(dǎo)損耗比不通光時(shí)小,在相同輻照條件下,“熊貓”型石英保偏光纖輻照誘導(dǎo)損耗明顯低于“一”字型石英保偏光纖,表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗輻照特性。
　　輻照在纖芯中生成Si-OH缺陷對(duì)光的吸收是導(dǎo)致工作波長(zhǎng)為1310nm的石英光纖損耗增加的主要原因。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用電子順磁共振、X射線光電子能譜、損

4、耗譜和傅里葉變換紅外光譜等分析方法,對(duì)兩種光纖中缺陷的形成機(jī)制進(jìn)行研究,結(jié)果表明,纖芯中Si-OH缺陷生成依賴于兩個(gè)過(guò)程:首先入射粒子使石英結(jié)構(gòu)中的Si-O-Si鍵斷裂,形成非橋氧缺陷Si-O-;其次,涂覆層PMMA發(fā)生輻照降解反應(yīng),同時(shí)形成粒子H和C=C,H通過(guò)擴(kuò)散機(jī)制運(yùn)動(dòng)到纖芯內(nèi)部。當(dāng)粒子H與Si-O-相遇時(shí),發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Si-OH結(jié)構(gòu)。在質(zhì)子輻照條件下,如果其射程達(dá)到纖芯的位置,可以直接提供反應(yīng)所需的H,對(duì)Si-OH的形成有一

5、定的促進(jìn)作用。“熊貓”型光纖的石英纖芯和包層中有一定量的F,它能夠與Si-OH反應(yīng),生成穩(wěn)定的HF和SiO2,減少了纖芯中的Si-OH缺陷濃度,使“熊貓”型光纖的輻照誘導(dǎo)損耗遠(yuǎn)低于“一”字型光纖。石英光纖輻照誘導(dǎo)損耗的變化取決于纖芯內(nèi)部Si-OH缺陷的累積過(guò)程,而這一過(guò)程又與光纖內(nèi)部吸收劑量的分布相關(guān)。利用SRIM和CASINO軟件進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果表明,以不同能量的帶電粒子入射,其在路徑上的能量損失不同,導(dǎo)致光纖各部位吸收劑量存在差異,從

6、而影響纖芯中Si-OH缺陷的形成和累積過(guò)程。
　　在石英光纖輻照缺陷形成機(jī)理的研究基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法,將纖芯中缺陷累積過(guò)程與光纖輻照誘導(dǎo)損耗聯(lián)系在一起,建立了輻照條件下石英光纖輻照誘導(dǎo)損耗變化的兩個(gè)數(shù)學(xué)模型。模型一針對(duì)伽馬射線輻照條件,給出了光纖輻照誘導(dǎo)損耗隨輻照劑量變化呈含有e指數(shù)的關(guān)系,并考慮了輻照劑量率的影響,能夠反映出劑量率對(duì)輻照誘導(dǎo)損耗增長(zhǎng)速率和飽和值的影響;模型二給出了光纖輻照誘導(dǎo)損耗隨輻照注量變化呈含有e指數(shù)的