脉冲核辐射的光纤测量技术研究

摘要

光纤作为脉冲信号的传输介质，与同轴电缆相比具有传输频带宽、损耗低、抗电磁干扰能力强等优点，已经成功应用于现场试验辐射测量以及电磁试验测量中的脉冲信号远距离传输。然而当光纤受到核辐射时，其光学性能的变化将导致信号传输系统性能的下降。开展脉冲核辐射的光纤测量技术研究，探索核辐射与光纤的作用机制，实验测量光纤的瞬态辐射感生损耗及色散，可望发展新的现场试验辐射测量技术并建立相应的测量系统，提高试验测量水平。同时可为评价应用于现场试验诊断设备、空间飞行器、反应堆及其它核设施中的光纤性能的恶化程度、预估其工作寿命提供实验数据。
1、分析了普通融石英光纤对核辐射的响应机制，利用基于Monte Carlo方法的GEANT-4程序计算了γ辐射作用时光纤的辐射透过率、效应截面、康普顿电子通量、能通量及角度随射线光子能量的分布；计算了在剂量率为5.3×109 Gy/s、平均光子能量为1.0 MeV的脉冲γ辐射条件下，光纤中康普顿电子的密度、振荡频率、与中性原子的碰撞频率；提出了采用低温等离子体对光波的吸收模型分析脉冲γ辐射对光纤产生的瞬态辐射感生损耗的方法，并计算了光纤对波长在600-1600 nm范围内光波的吸收性瞬态辐射感生损耗数据。计算结果表明：在给定脉冲辐射条件下，光纤的辐射感生损耗随着辐射剂量的增大而增加，随光波波长的增大而略有增加，多模光纤对核辐射的响应比单模光纤稍大，光纤在1310 nm、1550 nm波长的吸收性辐射感生损耗系数与脉冲辐射实验测量结果在相同的数量级，该模型可以用于分析光纤在脉冲核辐射作用下的瞬态辐射感生损耗。
2、开展了光纤波导中的电磁场传输理论分析，得到了光波电磁场在波导中的分布，计算了纤芯和包层中电场强度分布、光纤对模式的约束系数、光纤的色散系数随折射率及V参数变化。建立了块状融石英材料及光纤光栅在辐射作用下折射率变化的实时测量系统，开展了光纤折射率随辐射剂量变化及光纤模场测量实验，实验结果验证了核辐射对光纤折射率的影响。建立了时域法测量光纤色散的实验系统，开展了光纤色散随辐射剂量的测量实验。实验结果表明：光纤的折射率随辐射剂量的增加而增大，折射率的变化会引起波导中传输模式的场强分布的变化，从而形成光纤的辐射感生波导损耗；在一定的辐射剂量范围内0-2000 Gy，光纤仍满足弱导边界条件，能够维持对传输模式的约束能力；辐射感生波导损耗较小，而色散系数随辐射剂量增加较为明显，对快脉冲光波信号的远距离传输将产生由于脉冲展宽而引起的波形畸变。
3、为了在复杂电磁环境下利用普通融石英光纤测量脉冲γ射线，研制了脉冲核辐射的光纤测量系统。在分析半导体激光器和探测器瞬态模型的基础上，设计了半导体激光器直接调制实现电光转换、半导体探测器实现光电转换的电路。研制的脉冲核辐射光纤测量系统性能指标为：频带宽度0.0003-3 GHz，带内平坦度±1 dB，线性动态范围20 dB，输出噪声峰峰值小于5 mV，驻波比优于2。实验结果表明：采用电光转换和光电转换技术的光纤脉冲核辐射测量系统可用于脉冲辐射场参数测量以及快脉冲信号传输。
4、建立了瞬态辐射感生损耗的测量方法，采用激光波长分别为405、660、850、1310和1550 nm的脉冲核辐射光纤测量系统，在平均光子能量0.3 MeV、脉冲宽度25 ns、平均剂量率2.0×107 Gy/s以及平均光子能量1.0 MeV、脉冲宽度25 ns、平均剂量率5.3×109 Gy/s这两种脉冲γ射线辐射条件下，开展了测量实验并获得了4 种常规光纤(ITU G.651(50/125μm、62.5/125μm)、G.652、G.655)的总瞬态辐射感生损耗及其与辐射剂量的关系。实验结果表明：（1）脉冲 γ 射线对光纤的总瞬态辐射感生损耗在可见光到近红外范围内随探测波长的增大而减小；（2）在相同辐射条件下，多模光纤的瞬态辐射感生损耗稍大于单模光纤；（3）在一定剂量范围内，光纤的瞬态辐射感生损耗与剂量呈近似线性关系；（4）瞬态辐射感生损耗系数比永久性辐射感生损耗系数高出三到四个数量级，表明在高剂量率辐射作用下，普通光纤的瞬态辐射感生损耗中的等离子体吸收机制起主导作用。（5）利用瞬态辐射感生损耗测量结果计算了可探测的脉冲辐射源参数和测量系统灵敏度。
5、理论计算及实验测量结果分析表明：（1）脉冲γ射线作用光纤时，以康普顿效应为主，高能电子是致使光纤产生辐射感生损耗的主要因素。三种模型可以用来解释辐射感生损耗：低温等离子体对光波的吸收、原子能级缺陷吸收及波导参数改变导致的模式能量泄漏。等温等离子体的吸收机制在可见光到近红外区域的较长波段占主导，原子能级缺陷吸收机制在该范围内较短波长段占主导，与上面两种吸收机制相比，光纤的感生波导损耗较小，在实验辐射剂量范围内仍能维持对模式的约束能力。以上三种机制同时存在，光纤的辐射感生损耗是以上三种机制共同作用的结果。（2）折射率的改变导致光纤的色散系数增大，快脉冲光波信号在远距离传输时将产生由于脉冲展宽而引起的波形畸变，核辐射测量使用的光纤长度为数米到数十米，色散系数的增大对测量结果影响不大。（3）光纤对脉冲辐射的响应时间为5 ns。（4）基于瞬态辐射感生损耗机制的脉冲核辐射的光纤测量技术可用于实际脉冲辐射的总剂量和上升时间测量。