ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД, СТОЙКИЙ К ЯДЕРНОМУ И/ИЛИ ИОНИЗИРУЮЩЕМУ ИЗЛУЧЕНИЮ (ВАРИАНТЫ), МИКРОСТРУКТУРНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД, СТОЙКИЙ К ЯДЕРНОМУ И/ИЛИ ИОНИЗИРУЮЩЕМУ ИЗЛУЧЕНИЮ, И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА ИЛИ ДЕЙТЕРИЯ В ВОЛОКОННОМ СВЕТОВОДЕ Российский патент 2008 года по МПК G02B6/02 

Область техники

Изобретение относится к области волоконных световодов, стойких к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучений, и промышленно применимо в системах волоконно-оптической связи и других волоконно-оптических системах, предназначенных для работы в условиях ядерного и/или ионизирующего излучения, в частности в системах оптической диагностики плазмы в термоядерных реакторах и в волоконно-оптических системах и волоконных световодах, предназначенных для передачи мощного лазерного излучения и/или ультрафиолетового излучения.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известно, что при применениях волоконных световодов в условиях воздействия на них ядерного и/или ионизирующего излучения, возникает проблема увеличения оптических потерь в световоде, вплоть до утраты прозрачности световода (B.Brichard, A.Fernandez Fernandez, H.Ooms, F.Berghmans, M.Decreton, A.Tomashuk, S.Klyamkin, M.Zabezhailov, I.Nikolin, V.Bogatyrjov, E.Hodgson. T.Kakuta, T.Shikama, T.Nishitani, A.Costley, G.Vayakis "Radiation-hardening techniques of dedicated optical fibres used in plasma diagnostic systems in ITER", Journal of Nuclear Materials, vol.329-333, pp.1456-1460 (2004)). Это явление объясняется тем, что вышеуказанные излучения разрывают химические связи в сетке стекла световода, из-за чего в сетке стекла образуются радиационные центры окраски, поглощающие свет, распространяющийся по световоду (D.L.Griscom, K.M.Golant, A.L.Tomashuk, D.V.Pavlov, Yu.A.Tarabrin "Gamma-radiation resistance of aluminum-coated all-silica optical fibers fabricated using different types of silica in the core", Applied Physics Letters, vol.69 (3), pp.322-324 (1996)). Известно также, что подавить этот нежелательный эффект и тем самым сделать световод стойким к ядерному и ионизирующему излучению можно путем насыщения стекла световода газом молекулярного водорода (патент США №5901264, 04.05.1999 г., МПК G02B 6/02) или дейтерия (патент Японии JP3158807, 08.07.1991 г., МПК G02В 6/00). Под действием ядерного или ионизирующего излучения молекулы вышеуказанных газов расщепляются на атомы и ионы, вступающие затем в химическую связь в месте любой разорванной излучением связи в сетке стекла, тем самым ликвидируя центр окраски. При этом атомы водорода и дейтерия входят в сетку стекла и концентрация газов водорода или дейтерия в стекле световода в молекулярном виде уменьшается (A.L.Tomashuk, E.M.Dianov, K.M.Golant, A.O.Rybaltovskii «γ-radiation-induced absorption in pure-silica-core fibers in the visible spectral region: the effect of H₂-loading» IEEE Transactions on Nuclear Science, vol.45, N 3, Part 3, pp.1576-1579, (1998)). Поэтому по мере увеличения дозы или флюенса вышеуказанных излучений утрачивается свойство стойкости световода к вышеуказанным излучениям, например, при применении световода в системах оптической диагностики плазмы Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (Brichard B. "Improvement of radiation-resistance of silica optical fibres for plasma diagnostic systems by glass hydrogen treatment", 7th Meeting of the ITPA Topical Group on Diagnostics, 11-15 Oct. 2004, Hefei, China).

Из уровня техники известны так называемые микроструктурные (дырчатые) световоды. Отличительной особенностью таких световодов являются полости в оболочке световода, параллельные его оси и влияющие на распространение света по световоду (B.J.Eggleton, C.Kerbage, P.S.Westbrook, R.S.Windeler, A.Hale "Microstructured optical fiber devices", Optics Express, vol.9, No.13 (2001)). Известно, что такие микроструктурные световоды не обладают свойством стойкости к ионизирующему и ядерному излучению, так как не содержат газ молекулярного водорода или дейтерия в стекле (А.Ф.Косолапов, И.В.Николин, А.Л.Томашук, С.Л.Семенов, М.О.Забежайлов. «Начальные и радиационно-наведенные оптические потери в микроструктурированных волоконных световодах с сердцевиной из кварцевого стекла», Неорганические материалы, том 40, №11, с.1395-1399 (2004); A.F.Kosolapov, I.V.Nikolin, A.L.Tomashuk, S.L.Semjonov, M.O.Zabezhailov "Initial and radiation-induced optical losses in microstructured silica-core fibers", Inorganic Materials, vol.40, No.11, pp.1229-1233 (2004).

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является волоконный световод, содержащий сердцевину и оболочку на основе кварцевого стекла, а также герметичное покрытие, нанесенное поверх оболочки, и содержащий молекулы водорода и/или дейтерия в больших концентрациях, обеспечивающих высокую стойкость световода к ядерному и ионизирующему излучению, а также способ изготовления такого световода, включающий вытягивание световода из заготовки, нанесение на него в процессе вытягивания герметичного покрытия и последующее помещение в газовую атмосферу водорода и/или дейтерия при высоких давлениях и температурах (патент РФ №2222032, опуб. 27.04.2002 г., МПК G02B 6/16). Отличительной чертой данного способа является механизм проникновения газа в стекло волоконного световода: он диффундирует через покрытие волоконного световода, когда волоконный световод находится в газовой атмосфере. Недостаток такого волоконного световода и способа его изготовления состоит в том, что, хотя концентрация молекул водорода и/или дейтерия в нем очень высока (вплоть до порога растворимости этих газов в стекле), но все же конечна, и в процессе эксплуатации такого волоконного световода при достижении определенной дозы (флюенса) излучения весь газ, изначально находившийся в стекле, оказывается израсходованным (входит в сетку стекла) и, начиная с этого момента, свойство стойкости такого волоконного световода к ядерному и ионизирующему излучению утрачивается. В такой ситуации необходимо заново проводить процедуру насыщения стекла световода газом молекулярного водорода или дейтерия. В большинстве практических применений это весьма затруднительно, так как требует частичного демонтажа оптической системы, в которой используется волоконный световод, а, кроме того, при использовании волоконного световода в ядерном реакторе его извлечение и насыщение газом невозможно по причине радиоактивности такого световода.

Волоконный световод, стойкий к ядерному и/или ионизирующему излучению (варианты), микростуктурный волоконный световод, а также способ регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в волоконном световоде согласно заявленному изобретению устраняют указанные недостатки.

В рамках настоящего описания под ядерным излучением рассматриваются быстрые нейтроны, протоны, электроны, альфа-частицы, под ионизирующим излучением рассматривается гамма, рентгеновское и оптическое излучение УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов.

Сущность изобретения

В соответствии с вышеизложенным задачей настоящего изобретения является повышение стойкости к ядерному или ионизирующему излучению посредством регулирования (восполнения по мере уменьшения) концентрации молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода при его эксплуатации.

Указанный результат достигается тем, что согласно первому аспекту изобретения предусмотрен волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения, содержащий сердцевину, оболочку на основе кварцевого стекла и защитное покрытие, при этом в сердцевине и оболочке обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3, посредством подведения указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость, сформированную в оболочке и/или защитном покрытии, под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода, а также содержащий средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из по меньшей мере одной полости через торцевые поверхности световода.

Кроме того, в волоконном световоде согласно указанному аспекту сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы, а оболочка выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором.

При этом волоконный световод является одномодовым или многомодовым.

При этом в указанном в волоконном световоде средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия выполнено в виде отрезка световода длиной не менее 0,1 мм, приваренного к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.

Кроме того, защитное покрытие может быть выполнено из полимера, может быть герметичным и может состоять из одного из материалов группы металл, углерод, керамика.

Кроме того, защитное покрытие может представлять собой комбинацию герметичного и полимерного покрытия.

В волоконном световоде согласно первому аспекту изобретения по меньшей мере одна полость выполнена в виде цилиндрического канала соосного со световодом.

Кроме того, по меньшей мере одна полость может быть произвольным образом расположена относительно геометрической оси световода.

При этом в указанном волоконном световоде подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода, а также может обеспечиваться посредством по меньшей мере одного вскрытия, выполненного на боковой поверхности световода, сообщающегося с по меньшей мере одной полостью указанного световода.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрен волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения, содержащий сердцевину, оболочку на основе кварцевого стекла и защитное покрытие, при этом в сердцевине и оболочке обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3, посредством подведения указанного молекулярного водорода или дейтерия в одну полость, сформированную в оболочке и/или защитном покрытии, под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода, а также содержащий средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из указанной полости через торцевые поверхности световода.

Кроме того, в волоконном световоде согласно второму аспекту изобретения сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы, а оболочка выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором.

Указанный волоконный световод является одномодовым или многомодовым.

При этом средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия в указанном световоде выполнено в виде отрезка световода длиной не менее 0,1 мм, приваренного к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.

Кроме того, защитное покрытие указанного волоконного световода может быть выполнено из полимера, а также может быть герметичным и может состоять из одного из материалов группы металл, углерод, керамика.

При этом указанное защитное покрытие может представлять собой комбинацию герметичного и полимерного покрытий.

Кроме того, в волоконном световоде согласно второму аспекту указанная полость выполнена в виде цилиндрического канала соосного со световодом, а также указанная полость может быть произвольным образом расположена относительно геометрической оси световода.

При этом подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в указанную полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода, а также посредством по меньшей мере одного вскрытия, выполненного на боковой поверхности световода, сообщающегося с указанной полостью указанного световода.

Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен микроструктурный волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучений, содержащий сердцевину, оболочку с совокупностью полостей, обеспечивающих распространение света по световоду, а также защитное покрытие, при этом в сердцевине и оболочке обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3, посредством подведения указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость из указанной совокупности полостей оболочки под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода, а также содержащий средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из по меньшей мере одной полости через торцевые поверхности световода.

Кроме того, в микроструктурном волоконном световоде сердцевина и оболочка выполнены из кварцевого стекла, при этом сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы, а оболочка выполнена из нелегированного кварцевого стекла, или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором.

При этом указанный микроструктурный волоконный световод является одномодовым или многомодовым.

А средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия в указанном микроструктурном волоконном световоде может быть выполнено в виде отрезка световода длиной не менее 0,1 мм, приваренного к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.

В указанном микроструктурном волоконном световоде защитное покрытие выполнено из полимера.

Кроме того, защитное покрытие в указанном световоде является герметичным, а также может состоять из материалов группы металл, углерод, керамика.

При этом защитное покрытие может представлять комбинацию герметичного и полимерного покрытий.

Кроме того, подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость в световоде обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода, а также может обеспечиваться посредством по меньшей мере одного вскрытия на боковой поверхности световода, сообщающегося с по меньшей мере одной полостью указанного световода.

Согласно четвертому аспекту изобретения обеспечивается способ регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода, содержащего сердцевину, оболочку на основе кварцевого стекла и защитное покрытие, и по меньшей мере одну полость, выполненную в оболочке и/или защитном покрытии, при этом в указанном способе для обеспечения концентрации молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3 осуществляют подачу молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода при температуре не ниже 0°С при воздействии ядерного и/или ионизирующего излучения, при этом одновременно обеспечивают предотвращение или затруднение утечки молекулярного водорода или дейтерия через торцевые поверхности световода.

При этом в указанном способе предотвращение или затруднение утечки молекулярного водорода или дейтерия осуществляется путем приваривания отрезка световода длиной не менее 0,1 мм к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.

Кроме того, подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода, а также может обеспечиваться посредством по меньшей мере одного вскрытия на боковой поверхности световода, сообщающегося с по меньшей мере одной полостью указанного световода.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется на примере предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи, при этом одинаковые элементы на фигурах обозначены одними и теми же позициями. На чертежах представлено следующее.

На фиг.1 (а и б) представлено схематичный вид продольного сечения волоконного световода согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

На фиг.2 представлен схематичный вид поперечного сечения волоконного световода согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

На фиг.3а и 3б представлен схематичный вид продольного сечения волоконного световода с одной полостью согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения.

На фиг.4 представлен схематичный вид поперечного сечения волоконного световода с одной полостью согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения.

На фиг.5 представлен схематичный вид поперечного сечения микроструктурного волоконного световода согласно изобретению.

На фиг.6 представлена схема микростуктурного волоконного световода со вскрытием для подвода молекулярного водорода или дейтерия в стекло световода.

На фиг.7 представлен иллюстративный пример схематично выполненной системы для подачи молекулярного водорода или дейтерия в волоконный световод, реализующий способ регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в стекле волоконного световода согласно изобретению.

На фиг.8 иллюстрируются радиационно-наведенные оптические потери в трех различных световодах при их гамма-облучении.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1а, б показано продольное сечение, а на фиг.2 - поперечное сечение волоконного световода, стойкого к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения. При этом на фиг.1а представлен волоконный световод с по меньшей мере одной полостью 4, выполненной в виде цилиндрического канала, соосного с волоконным световодом, а на фиг.1б - волоконный световод с по меньшей мере одной полостью 4, произвольным образом размещенной относительно геометрической оси 6 волоконного световода. Световод согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения может быть одномодовым или многомодовым. Световод содержит сердцевину 1 и оболочку 2 на основе кварцевого стекла, а также защитное покрытие 3. Сердцевина 1 может быть выполнена из нелегированного кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы. Оболочка 2 может быть выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором. Защитное покрытие 3 может быть выполнено из полимера или быть герметичным. В последнем случае оно может состоять из одного из материалов группы металл, углерод, керамика. Защитное покрытие 3 также может состоять из комбинации герметичного и полимерного покрытий.

В оболочке 2 и/или защитном покрытии 3 выполнена по меньшей мере одна полость 4 в виде цилиндрического канала, соосного со световодом согласно фиг.1а, или по меньшей мере одна полость 4 может быть произвольным образом расположена относительно геометрической оси 6 световода согласно фиг.1б. Позицией 5 на фиг.1а и б обозначена торцевая поверхность световода.

На фиг.3а и 3б показано продольное сечение, а на фиг.4 поперечное сечение волоконного световода с одной полостью, стойкого к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения. При этом на фиг.3а представлен вариант осуществления волоконного световода, в котором одна полость 4 выполнена в виде цилиндрического канала, соосного со световодом, а на фиг.3б полость 4 может быть произвольным образом расположена относительно геометрической оси 6 световода.

Все остальные элементы и модификации указанного варианта осуществления изобретения аналогичны вышеописанному варианту осуществления волоконного световода согласно фиг.1а, 1б и 2 и поэтому здесь не приводятся.

На фиг.5 представлен вид микроструктурного волоконного световода, стойкого к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения, в поперечном сечении. Указанный микроструктурный световод может быть одномодовым или многомодовым. Указанный микростуктурный волоконный световод содержит сердцевину 1, оболочку 2 с совокупностью полостей 4, обеспечивающих распространение света по световоду, а также защитное покрытие 3, при этом сердцевина 1 и оболочка 2 могут быть выполнены из кварцевого стекла. В частности, сердцевина 1 может быть выполнена из нелегированного кварцевого стекла, или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы. В частности, оболочка 2 может быть выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором. Защитное покрытие 3 может быть выполнено из полимера или быть герметичным. В последнем случае оно может состоять из одного из материалов группы металл, углерод, керамика. Защитное покрытие 3 также может состоять из комбинации герметичного и полимерного покрытий.

На фиг.6 представлена схема микростуктурного волоконного световода со вскрытием для подвода молекулярного водорода или дейтерия в стекло световода, где изображены сердцевина 1, оболочка 2 с совокупностью полостей 4, обеспечивающих распространение света по световоду, а также защитное покрытие 3, кроме того, торцевые поверхности световода 5 и геометрическая ось 6 световода, при этом под позицией 7 обозначено вскрытие, выполненное в боковой поверхности световода и сообщающееся с полостями 4 для осуществления подвода молекулярного водорода или дейтерия, однако подвод указанных газов может также осуществляться через торцевую поверхность световода 5. Следует отметить, что пример выполнения вскрытия 7 для волоконных световодов с несколькими полостями или с одной полостью подобен указанному чертежу.

При этом следует отметить, что средство предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из полостей световода явлется составной частью вышеописанных волоконных световодов, и вариант реализации указанного средства представлен на фиг.7, подробное описание которого представлено ниже.

Функционирование волоконного световода согласно первому варианту осуществления изобретения, а также осуществление способа регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в указанном световоде реализуется следующим образом. Волоконный световод размещается в термоядерном реакторе, например, в Международном термоядерном экспериментальном реакторе ИТЭР, таким образом, что одна из торцевых поверхностей 5 световода обращена к плазме, в которой происходят термоядерные реакции, а вторая торцевая поверхность 5 подведена к спектрометрической аппаратуре, находящейся за биологической защитой. По световоду передается оптическое излучение плазмы в процессе функционирования термоядерного реактора. При этом волоконный световод подвергается воздействию быстрых нейтронов и гамма-лучей, являющихся результатом термоядерных реакций, протекающих в плазме. Однако, как уже указывалось выше, при применениях волоконных световодов в условиях воздействия на них ядерного и/или ионизирующего излучения, возникает проблема увеличения оптических потерь в световоде, вплоть до утраты прозрачности световода. Это явление объясняется тем, что вышеуказанные излучения разрывают химические связи в сетке стекла световода, из-за чего в сетке стекла образуются радиационные центры окраски, поглощающие свет, распространяющийся по световоду и подавить этот нежелательный эффект и тем самым сделать световод стойким к ядерному и ионизирующему излучению можно путем насыщения стекла световода газом молекулярного водорода. Под действием ядерного или ионизирующего излучения молекулы вышеуказанных газов расщепляются на атомы и ионы, вступающие затем в химическую связь в месте любой разорванной излучением связи в сетке стекла, тем самым ликвидируя центр окраски. Авторами заявляемого изобретения были проведены эксперименты, в результате которых было выявлено, что для обеспечения стойкости волоконного световода к ядерному и ионизирующему излучению в термоядерном реакторе ИТЭР концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в сердцевине 1 и оболочке 2 должна быть в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3. Однако в процессе функционирования волоконного световода под воздействием ядерного и/или ионизирующего излучения атомы водорода и дейтерия входят в сетку стекла, и поэтому концентрация газов водорода или дейтерия в стекле световода в молекулярном виде уменьшается (A.L.Tomashuk, E.M.Dianov, K.M.Golant, A.O.Rybaltovskii «γ-radiationinduced absorption in pure-silica-core fibers in the visible spectral region: the effect of H₂-loading» IEEE Transactions on Nuclear Science, vol.45, N 3, Part 3, pp.1576-1579, (1998)). Поэтому по мере увеличения дозы или флюенса вышеуказанных излучений утрачивается свойство стойкости световода к ядерному и/или ионизирующему излучениям в условиях термоядерного реактора ИТЭР (Brichard B. "Improvement of radiation-resistance of silica optical fibres for plasma diagnostic systems by glass hydrogen treatment", 7th Meeting of the ITPA Topical Group on Diagnostics, 11-15 Oct. 2004, Hefei, China). В данном примере используют газ молекулярного водорода и для регулирования (восполнения по мере уменьшения) его концентрации в сердцевине 1 и в оболочке 2, в процессе функционирования волоконного световода молекулярный водород подают в полости 4, сформированные в оболочке волоконного световода, через вскрытие (поз.7 на фиг.6) на боковой поверхности световода, сообщающееся с полостями 4. Отметим, что полости 4 могли бы быть сформированы в защитном покрытии 3 или в оболочке 2 и защитном покрытии 3 одновременно, а газ молекулярного водорода (или молекулярного дейтерия) можно было бы подавать не через вскрытие 7, а через торцевую поверхность 5. Авторами заявляемого изобретения было установлено, что для обеспечения вышеуказанной концентрации молекулярного водорода и/или дейтерия в сердцевине 1 и оболочке 2 эти газы должны подаваться в полости 4 при давлении не менее 1 МПа, если температура световода не ниже 0°С и поэтому диффузия газа из полостей 4 в материал сердцевины 1 и оболочки 2 проходит эффективно. Отметим, что температура световода в условиях термоядерного реактора ИТЭР не ниже комнатной. Обеспечиваем волоконный световод средством для предотвращения или затруднения утечки газа из полостей через торцевые поверхности 5, в данном примере, в виде отрезков световода длиной, например, 0,1 мм, приваренных к обоим торцевым поверхностям 5 волоконного световода. Эти отрезки световодов не имеют полостей и поэтому после приваривания этих отрезков полости 4 перестают сообщаться с внешней атмосферой через торцевые поверхности 5.

Функционирование волоконного световода согласно второму варианту осуществления изобретения (когда имеется только одна полость) происходит аналогичным образом, и поэтому не описывается.

Работа волоконного микроструктурного световода описывается на следующем примере со ссылкой на фиг.6-8. Рассматривается микроструктурный волоконный световод с поперечным сечением, схематично показанным на фиг.5, сердцевина 1 и оболочка 2 которого выполнены из нелегированного кварцевого стекла КУ-1, а защитное покрытие 3 является полимерным. Совокупность полостей 4 указанного световода обеспечивает удержание света в сердцевине 1. При этом на боковой поверхности световода выполнено вскрытие 7 путем механического удаления защитного покрытия 3 и травления оболочки 2 в плавиковой кислоте. Указанное вскрытие 7 сообщается со всеми полостями 4 данного световода (фиг.6). Указанный микроструктурный световод 8 (фиг.7) размещен в водородной камере 9 таким образом, что вскрытие 7 находится внутри водородной камеры 9. Водородная камера 9 через соединитель 10 подсоединяется к баллону с водородом. Водородная камера 9 оснащена краном 11 и манометром 12. С целью предотвращения утечки молекулярного водорода через торцевые поверхности 5 микроструктурного световода 8 к торцевым поверхностям 5 микроструктурного световода 8 приварены отрезки световодов 13, которые не имеют полостей. Длина приваренных отрезков световода составляет 20 см. Как уже указывалось выше, при воздействии на указанный световод ионизирующего излучения увеличиваются оптические потери в световоде, вплоть до утраты прозрачности световода, что объясняется тем, что вышеуказанные излучения разрывают химические связи в сетке стекла световода, из-за чего в сетке стекла образуются радиационные центры окраски, поглощающие свет, распространяющийся по световоду. Как уже упоминалось выше, подавить этот нежелательный эффект и тем самым сделать световод стойким к ядерному и ионизирующему излучению можно путем насыщения стекла световода газом молекулярного водорода или дейтерия. Под действием ядерного или ионизирующего излучения молекулы вышеуказанных газов расщепляются на атомы и ионы, вступающие затем в химическую связь в месте любой разорванной излучением связи в сетке стекла, тем самым ликвидируя центр окраски. При этом атомы водорода и дейтерия входят в сетку стекла и концентрация газов водорода или дейтерия в стекле световода в молекулярном виде уменьшается, поэтому по мере увеличения дозы или флюенса вышеуказанных излучений утрачивается свойство стойкости световода к вышеуказанным излучениям.

Для обеспечения вышеуказанной концентрации молекулярного водорода от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3 в сердцевине 1 и оболочке 2, необходимой для обеспечения стойкости световода к ионизирующему излучению, обнаруженной авторами в процессе экспериментов, осуществляют подачу указанного водорода в полости 4 микроструктурного световода в процессе эксплуатации. Для этого открывают кран 11 и водород подается в камеру 9 под давлением порядка 8 МПа согласно показаниям манометра 12. Из водородной камеры 9 молекулярный водород поступает во вскрытие 7 и далее распространяется по полостям 4, из которых диффундирует в стекло сердцевины 1 и оболочки 2 для обеспечения вышеуказанной концентрации.

Было экспериментально установлено, что выполнение вскрытия 7 и наполнение полостей 4 молекулярным водородом при давлении ˜8 МПа не привело к увеличению оптических потерь в микроструктурном световоде 8. При этом следует отметить, что с целью предварительного насыщения стекла молекулярным водородом этот газ подавался в полости 4 при вышеуказанном давлении в течение 14 дней до начала испытаний под гамма-облучением.

Следует также отметить, что указанный пример реализации ни в коем случае не ограничивает возможные модификации выполнения структурных элементов заявленного изобретения в рамках приложенной формулы изобретения. Так, например, подача молекулярного водорода также может осуществляться через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода, вместо молекулярного водорода может использоваться молекулярный дейтерий, а давление газа в полостях может быть снижено до 1 МПа.

Фиг.8 иллюстрирует радиационно-наведенные оптические потери в трех различных световодах: микроструктурный волоконный световод согласно заявленному изобретению, радиационно-наведенные оптические потери которого обозначены поз.14 на фиг.8, известный волоконный световод согласно патенту РФ №2222032, радиационно-наведенные оптические потери которого обозначены поз.15 на фиг.8, и традиционный микроструктурный волоконный световод без подачи водорода, потери которого обозначены поз.16 на фиг.8. Все указанные световоды одновременно подвергались гамма-облучению от источника кобальт-60 до дозы 4,3 МГр при мощности дозы 4,5 Гр/с и при комнатной температуре. При этом в полости микроструктурного волоконного световода (оптические потери поз.14 на фиг.9), согласно заявленному изобретению, в процессе облучения непрерывно подавался газ молекулярного водорода, согласно фиг.6, 7, при давлении порядка 8 МПа.

Известный из уровня техники волоконный световод в соответствии с патентом РФ №2222032 (оптические потери поз.15 на фиг.9) имеет сердцевину из стекла КУ-1, фторсиликатную оболочку и герметичное алюминиевое покрытие. С целью насыщения стекла молекулярным водородом, до начала облучения указанный световод выдерживался в атмосфере молекулярного водорода при давлении 50 МПа и температуре 300°С в течение 14 дней.

Традиционный микроструктурный световод представляет собой многомодовый световод с сердцевиной и оболочкой из нелегированного кварцевого стекла КУ-1 и совокупностью полостей в оболочке, в которые молекулярный водород не подавался. Из фиг.8 можно видеть, что из всех трех световодов микроструктурный световод согласно изобретению демонстрирует минимальные радиационно наведенные оптические потери (см. поз.14 на фиг.9), т.е. наибольшую стойкость к гамма-излучению.

В микроструктурном волоконном световоде согласно заявленному изобретению и в известном волоконном световоде согласно патенту РФ №2222032 дополнительно провели измерения концентрации молекулярного водорода в сердцевине по величине пика поглощения молекул водорода на длине волны 1,24 мкм. До начала вышеописанного гамма-облучения в микроструктурном волоконном световоде согласно заявленному изобретению эта концентрация составила 1·10²⁰ см^-3, а в процессе вышеописанного гамма-облучения при дозе 4,3 МГр она оказалась лишь незначительно меньше - 8·10¹⁹ см^-3. До начала вышеописанного гамма-облучения в известном волоконном световоде согласно патенту РФ №2222032 концентрация молекулярного водорода в сердцевине также составила 1·10²⁰ см^-3, а в процессе вышеописанного гамма-облучения при дозе 4,3 МГр она значительно уменьшилась, до 3·10¹⁸ см^-3. Это сравнение демонстрирует возможность регулирования (восполнения по мере уменьшения) концентрации молекулярного водорода в сердцевине в процессе функционирования световода, заявляемую в данном изобретении.

Таким образом, анализ проведенных авторами экспериментов, описанных выше показывает, что заявленный волоконный световод (варианты), микростуктурный волоконный световод, а также способ регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в указанных световодах обеспечивают повышение стойкости к ядерному или ионизирующему излучению посредством регулирования (восполнения по мере уменьшения) концентрации указанных газов в стекле световода при его эксплуатации.

Промышленная применимость

Заявленное изобретение промышленно применимо в системах волоконно-оптической связи и других волоконно-оптических системах, предназначенных для работы в условиях ядерного и ионизирующего излучения, в частности в системах оптической диагностики плазмы в термоядерных реакторах и в волоконно-оптических системах и волоконных световодах, предназначенных для передачи мощного лазерного излучения и/или ультрафиолетового излучения.

Изобретение относится к области волоконных световодов, стойких к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучений. Предусмотрен волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного или ионизирующего излучения. В сердцевине и оболочке волоконного световода обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3. Подводится молекулярный водород или дейтерий в полость, сформированную в оболочке и/или защитном покрытии, под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода. Средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из полости через торцевые поверхности световода. Технический результат - повышение стойкости к ядерному или ионизирующему излучению посредством регулирования (восполнения по мере уменьшения) концентрации молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода при его эксплуатации. 4 н. и 38 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения, содержащий сердцевину, оболочку на основе кварцевого стекла и защитное покрытие, при этом в сердцевине и оболочке обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3, посредством подведения указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость, сформированную в оболочке и/или защитном покрытии, под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода, а также содержащий средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из по меньшей мере одной полости через торцевые поверхности световода.2. Волоконный световод по п.1, в котором сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы.3. Волоконный световод по п.1, в котором оболочка выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором.4. Волоконный световод по п.1, в котором световод является одномодовым или многомодовым.5. Волоконный световод по п.1, в котором средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия выполнено в виде отрезка световода длиной не менее 0,1 мм, приваренного к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.6. Волоконный световод по п.1, в котором защитное покрытие выполнено из полимера.7. Волоконный световод по п.1, в котором защитное покрытие является герметичным.8. Волоконный световод по п.7, в котором защитное покрытие состоит из одного из материалов группы металл, углерод, керамика.9. Волоконный световод по п.1, в котором защитное покрытие состоит из комбинации герметичного и полимерного покрытий.10. Волоконный световод по п.1, в котором по меньшей мере одна полость выполнена в виде цилиндрического канала, соосного со световодом.11. Волоконный световод по п.1, в котором по меньшей мере одна полость произвольным образом расположена относительно геометрической оси световода.12. Волоконный световод по п.1, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода.13. Волоконный световод по п.1, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается посредством по меньшей мере одного вскрытия на боковой поверхности световода, сообщающегося с по меньшей мере одной полостью указанного световода.14. Волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучения, содержащий сердцевину, оболочку на основе кварцевого стекла и защитное покрытие, при этом в сердцевине и оболочке обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3, посредством подведения указанного молекулярного водорода или дейтерия в одну полость, сформированную в оболочке и/или защитном покрытии, под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода, а также содержащий средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из указанной полости через торцевые поверхности световода.15. Волоконный световод по п.14, в котором сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы.16. Волоконный световод по п.14, в котором оболочка выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором.17. Волоконный световод по п.14, в котором световод является одномодовым или многомодовым.18. Волоконный световод по п.14, в котором средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия выполнено в виде отрезка световода длиной не менее 0,1 мм, приваренного к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.19. Волоконный световод по п.14, в котором защитное покрытие выполнено из полимера.20. Волоконный световод по п.14, в котором защитное покрытие является герметичным.21. Волоконный световод по п.20, в котором защитное покрытие состоит из одного из материалов группы металл, углерод, керамика.22. Волоконный световод по п.14, в котором защитное покрытие состоит из комбинации герметичного и полимерного покрытий.23. Волоконный световод по п.14, в котором указанная полость выполнена в виде цилиндрического канала, соосного со световодом.24. Волоконный световод по п.14, в котором указанная полость произвольным образом расположена относительно геометрической оси световода.25. Волоконный световод по п.14, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в указанную полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода.26. Волоконный световод по п.14, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в указанную полость обеспечивается посредством по меньшей мере одного вскрытия на боковой поверхности световода, сообщающегося с указанной полостью указанного световода.27. Микроструктурный волоконный световод, стойкий к воздействию ядерного и/или ионизирующего излучений, содержащий сердцевину, оболочку с совокупностью полостей, обеспечивающих распространение света по световоду, а также защитное покрытие, при этом в сердцевине и оболочке обеспечивается концентрация включений молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3, посредством подведения указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость из указанной совокупности полостей оболочки под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода, а также содержащий средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия из по меньшей мере одной полости через торцевые поверхности световода.28. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором сердцевина и оболочка выпонены из кварцевого стекла.29. Микроструктурный волоконный световод по п.28, в котором сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного одним или несколькими элементами из группы германий, азот, алюминий, фосфор, фтор, хлор, бор, редкоземельные элементы.30. Микроструктурный волоконный световод по п.28, в котором оболочка выполнена из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного фтором и/или бором.31. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором световод является одномодовым или многомодовым.32. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором средство для предотвращения или затруднения утечки молекулярного водорода или дейтерия выполнено в виде отрезка световода длиной не менее 0,1 мм, приваренного к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.33. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором защитное покрытие выполнено из полимера.34. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором защитное покрытие является герметичным.35. Микроструктурный волоконный световод по п.34, в котором защитное покрытие состоит из одного из материалов группы металл, углерод, керамика.36. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором защитное покрытие состоит из комбинации герметичного и полимерного покрытий.37. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода.38. Микроструктурный волоконный световод по п.27, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается посредством по меньшей мере одного вскрытия на боковой поверхности световода, сообщающегося с по меньшей мере одной полостью указанного световода.39. Способ регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода, содержащего сердцевину, оболочку на основе кварцевого стекла и защитное покрытие, и по меньшей мере одну полость, выполненную в оболочке и/или защитном покрытии, при этом в указанном способе для обеспечения концентрации молекулярного водорода или дейтерия в диапазоне от 1·10¹⁹ до 5·10²¹ см^-3 осуществляют подачу молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость под давлением не менее 1 МПа в процессе функционирования световода при температуре не ниже 0°C при воздействии ядерного или ионизирующего излучения, при этом одновременно обеспечивают предотвращение или затруднение утечки молекулярного водорода или дейтерия через торцевые поверхности световода.40. Способ регулирования концентрации молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода по п.39, в котором предотвращение или затруднение утечки молекулярного водорода или дейтерия осуществляется путем приваривания отрезка световода длиной не менее 0,1 мм к по меньшей мере одной торцевой поверхности световода.41. Способ регулирования концентрации газов молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода по п.39, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается через по меньшей мере одну торцевую поверхность световода.42. Способ регулирования концентрации газов молекулярного водорода или дейтерия в стекле световода по п.39, в котором подведение указанного молекулярного водорода или дейтерия в по меньшей мере одну полость обеспечивается посредством по меньшей мере одного вскрытия на боковой поверхности световода, сообщающегося с по меньшей мере одной полостью указанного световода.