Устройство мониторинга переизлучающей способности спектросмещающего оптического волокна Российский патент 2023 года по МПК H04B10/79 G01J11/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам в волоконной оптике и может найти применение в производстве сцинтилляционных детекторов со снятием сигнала при помощи спектросмещающих оптических волокон. Наличие дефектов на светоотражающем покрытии волокна снижает амплитуду оптического сигнала от сцинтилляционной вспышки, переизлучаемого на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В работе любой системы сбора данных с детектора используется пороговое значение амплитуды сигнала, ниже которого сигнал не записывается как событие и считается шумом. Снижение амплитуды из-за дефекта волокна может привести к тому, что сцинтилляционная вспышка от прохождения ионизирующего излучения не будет записана как событие, что приведет к снижению эффективности детекторной системы. Для повышения эффективности регистрации детекторной системы до ее сборки проводится проверка оптических волокон с использованием предлагаемого устройства.

Уровень техники

Близкий по технической сущности аналог представлен в [1] Патент РФ №2036451, 23.01.1991, «Дефектоскоп оптических кабелей» Горбачев О.В., и др. Устройство, описанное в [1], представляет собой пистолетообразное устройство с шаговым двигателем смещения волокна, содержащее источники акустических волн, используется для поиска дефектов оптического волокна. Недостатком является то, что измеряемая устройством величина является амплитудой акустической волны. Амплитуда акустической волны, конечно, связана с поверхностными дефектами волокна, но лишь косвенно позволяет оценить потери света. Для определения оптических потерь при прохождении волокна необходимо измерять изменение амплитуды сигнала оптической волны.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности решением является - [2] Кручонок В.Г. и др. «Устройство для измерения оптических характеристик спектросмещающих волокон», Дубна, 2012. Сер. Р13-2012-11 Препринт / Объединенный институт ядерных исследований (Дубна). Данная установка предназначена для измерения амплитуды сигнала оптической волны, переизлучаемой спектросмещающим оптическим волокном, и состоит из системы фиксации положения спектросмещающих оптических волокон одной протяженности в светоизолирующем корпусе, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), а также светодиода, соединенного с генератором импульсов напряжения проводами передачи сигнала. Недостатком прототипа является отсутствие возможности вариативности длины исследуемого волокна. В [2] представлено два технических решения - устройства для измерения длинных и коротких волокон. Данные устройства подходят для определения амплитуды сигнала оптической волны только после прохождения волокна фиксированной длины в силу конструкционных особенностей.

Сущность изобретения

Технической задачей является измерение амплитуды оптической волны, после прохождения спектросмещающего оптического волокна, для волокна различной протяженности.

Технический результат заключается в том, что светоизолирующий корпус состоит из двух, соединенных между собой, частей: корпус ФЭУ и корпус внутренней части устройства. Внутренняя часть устройства представляет собой две направляющие, закрепленные в торцевых неподвижных фиксаторах. Первый фиксирует торец спектросмещающего оптического волокна на поверхности входного окна ФЭУ, а второй содержит на внешней, относительно корпуса, части разъем, на который кабелем подключают генератор электрических импульсов. Также внутренняя часть измерительной установки содержит фиксаторы с возможностью перемещения вдоль направляющих в зависимости от длины спектросмещающего оптического волокна. Фиксаторы с возможностью перемещения вдоль направляющих представлены двумя типами - вспомогательные, расположенные вдоль спектросмещающего оптического волокна, и системный с отверстием для фиксации торца спектросмещающего оптического волокна и ввода излучения в световод. На системном фиксаторе также расположен светодиод. Провода передачи сигнала пружинообразно намотаны на свободную часть направляющих.

Описание фигур

Фиг. 1 Внутренняя часть устройства

1 - Направляющие;

2 - Первый фиксатор;

3 - Второй фиксатор;

4 - Системный фиксатор;

5 - Вспомогательные фиксаторы;

6 - Светодиод;

7 - Провода передачи сигнала.

Фиг. 2 Система съема сигнала и контактный кожух

8 - Корпус ФЭУ;

9 - ФЭУ;

10 - Кабель съема сигнала с ФЭУ.

Фиг. 3 Общий вид измерительного тракта

8 - Корпус ФЭУ;

9 - ФЭУ;

10 - Кабель съема сигнала с ФЭУ;

11 - Генератор импульсов напряжения;

12 - Кабель передачи сигнала с генератора;

13 - Светоизолирующий корпус;

14 - Осциллограф.

Фиг. 4 Пример осуществления изобретения. Сигналы, зарегистрированные ФЭУ и представленные на осциллографе. По оси X показано время, по оси Y - амплитуда сигнала. На оси X время отложено в микросекундах, амплитуда на оси Y в милливольтах: а - сигнал, полученный со спектросмещающего оптического волокна без дефектов; б - сигнал, полученный со спектросмещающего оптического волокна с механическим повреждением внешнего покрытия.

На фиг. 1 изображена внутренняя часть устройства. Она содержит две направляющие (1), закрепленные в первом и втором неподвижных фиксаторах (2, 3), помимо этого на направляющих присутствуют подвижные фиксаторы - вспомогательные (5), расположенные вдоль спектросмещающего оптического волокна, и системный (4), с расположенным на нем светодиодом (6). Провода передачи сигнала (7) пружинообразно намотаны на свободную часть направляющих (1).

На фиг. 2 представлен корпус (8), в который вкручивается ФЭУ (9), и происходит контакт торца спектросмещающего оптического волокна с входным окном ФЭУ.

Для исключения влияния на передаваемую амплитуду сигнала света сторонних источников, внутренняя часть устройства размещается в светоизолирующем корпусе (13), который фиксируется в контактном с ФЭУ корпусе (8), представленном на фиг. 3.

В совокупности, существенные отличительные признаки устройства позволяют в условиях изоляции от внешних источников света решить задачу измерения амплитуды светового сигнала после прохождении спектросмещающего волокна переменной протяженности.

На фиг. 4 представлены сигналы, снятые с исследуемых спектросмещающих оптических волокон. По амплитуде и длительности сигнала определяется качество оптического волокна.

Осуществление изобретения

Разработка представляет собой установку для измерения амплитуды, переданного по спектросмещающему оптическому волокну, оптического сигнала. В данный момент в Научно-экспериментальном отделе комплекса спектрометров ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики идет процесс создания широко апертурного детектора обратного рассеяния (ДОР) тепловых нейтронов для Фурье-стресс дифрактометра на реакторе ИБР-2. ДОР - сцинтилляционный детектор на основе конвертера ⁶Li. Регистрирующий экран (или ND Экран) ⁶LiF/ZnS(Ag) представляет собой тонкие пластины (420 мкм). После захвата нейтрона литием протекает реакция конвертации, рожденные заряженные частицы - альфа и тритий вызывают возбуждение атомов сцинтиллятора ZnS(Ag) и, при снятии возбуждения, испускание фотонов. Для считывания и передачи светового сигнала традиционно применяются ФЭУ и оптические волокна. Оптические волокна, приклеенные на ND-экран, поглощают, испущенные сцинтиллятором фотоны, и переизлучают их торцевой плоскостью, расположенной вплотную с входным окном ФЭУ (9). Доставка фотонов на ФЭУ (9) обеспечивается особенностью строения оптического волокна - оно представляет собой сердечник из полистирола, который обладает низкой оптической плотностью, и внешнее покрытие из полиметилметакрилата с высокой оптической плотностью, что повышает вероятность полного внутреннего отражения и доставку фотона на входное окно ФЭУ (9). Различные типы дефектов, возникшие на внешнем отражающем покрытии при производстве и транспортировке волокон, приводят к снижению вероятности полного внутреннего отражения в области этих дефектов и возможному выходу части фотонов из спектросмещающего оптического волокна. Соответственно, при потере части фотонов, в силу их поглощения или выхода в области повреждений отражающей оболочки, до ФЭУ (9) доходит меньшая интенсивность светового потока, а считываемый с ФЭУ (9) сигнал будет обладать меньшей амплитудой. Любая считывающая система обладает пороговой амплитудой, ниже которой сигнал не записывается, как событие. Снижение амплитуды доставляемого сигнала приводит к снижению эффективности регистрации всей детекторной системы.

В силу того, что создаваемый детектор ДОР обладает чувствительной поверхностью ~13,8 м², возникла необходимость проверки большого количество оптических волокон различной протяженности. Для оценки относительной эффективности светопередачи каждого отдельного оптического волокна была создана измерительная установка.

Установка включает в себя светоизолирующий корпус (13), внутреннюю часть (1-7), корпус ФЭУ (8). На фиг. 1 изображена внутренняя часть устройства. Она содержит две направляющие (1), на которые пружинообразно намотаны провода передачи сигнала (7), закрепленные в торцевых неподвижных фиксаторах (2, 3), помимо этого на направляющих (1) присутствуют подвижные фиксаторы - вспомогательные (5), расположенные вдоль спектросмещающего оптического волокна, и системный (4), с расположенным на нем светодиодом (6). Такая система фиксаторов и пружинообразно намотанных проводов позволяет изучать оптические волокна разной длины в повторяющихся условиях - вне зависимости от длины, торцы волокна будут одинаково зафиксированы относительно входного окна ФЭУ и светодиода благодаря неподвижному (2) и системному (4) фиксаторам, вспомогательные (5) не дадут волокну провиснуть, а провода легко подстраиваются под изменяющуюся длину свободной части направляющих.

На фиг. 2 представлен корпус (8), в который вкручивается ФЭУ, и происходит контакт торца спектросмещающего оптического волокна, зафиксированного в неподвижном фиксаторе (2), с входным окном ФЭУ (9). Для исключения влияния на передаваемую амплитуду сигнала света сторонних источников внутренняя часть устройства размещается в светоизолирующем корпусе (13), который также фиксируется в корпусе ФЭУ (8), представленном на фиг. 3. Описанный составной корпус является надежной защитой от влияния внешних источников света на систему передачи и считывания оптического сигнала в реализации устройства мониторинга переизлучающей способности спектросмещающего оптического волокна различной протяженности.

Помимо этого, для измерений используются генератор импульсов (11), ФЭУ (9) и электронный осциллограф (14). Отдельное оптическое волокно фиксируется во внутренней части измерительной установки фиксаторами (2, 4, 5). В фиксаторе (2) присутствует отверстие, выводящее торец спектросмещающего волокна на фотокатод ФЭУ (9). С генератора импульсов (11) на светодиод (6) подается последовательность импульсов фиксированной амплитуды, считывание амплитуды сигнала производится с ФЭУ (9) электронным осциллографом WaveRunner 8404R (14). Среднее измеренное значение амплитуды регистрируемого сигнала, которое пропорционально среднему количеству попавших фотонов на фотокатод ФЭУ, является мерой пригодности спектросмещающего оптического волокна, так как напрямую характеризует потери интенсивности света после прохождении спектросмещающего оптического волокна. Пример работы устройства представлен на фиг. 4. На графике приведены сигналы, снимаемые с двух исследуемых спектросмещающих оптических волокон - без дефектов и с дефектами. Параметры подаваемой с генератора на светодиод последовательности импульсов - длительность 5 мкс, амплитуда 2 В и частота 10 кГц; а - сигнал, снимаемый со спектросмещающего оптического волокна без дефектов, его амплитуда составила 599,7 мВ; б - сигнал, снимаемый со спектросмещающего оптического волокна с механическими дефектами внешней оболочки, его амплитуда составила 352,7 мВ. На оси абсцисс отложена длительность сигнала, а на оси ординат амплитуда. У «б» отчетливо наблюдается изменение как длительности, так и амплитуды сигнала у поврежденного оптического волокна по сравнению с неповрежденным. Снижение амплитуды сигнала, при прохождении оптических волн по поврежденному волокну, относительно целого волокна, составило более 40%. На основании представленных результатов можно сформулировать вывод о невозможности использования исследуемого в примере дефектного спектросмещающего оптического волокна в составе сцинтилляционной детекторной системы.

Устройство мониторинга переизлучающей способности спектросмещающего оптического волокна относится к контрольно-измерительным средствам в волоконной оптике. Светоизолирующий корпус устройства состоит из двух, соединенных частей: корпус ФЭУ и корпус внутренней части устройства. Внутренняя часть представляет собой две направляющие, закрепленные в торцевых неподвижных фиксаторах. Первый фиксирует торец спектросмещающего оптического волокна на поверхности входного окна ФЭУ, а второй содержит на внешней, относительно корпуса, части разъем, на который кабелем подключают генератор электрических импульсов. Внутренняя часть измерительной установки содержит фиксаторы, перемещающиеся вдоль направляющих в зависимости от длины оптического волокна. Фиксаторы представлены двумя типами - вспомогательные, расположенные вдоль оптического волокна, и системный с отверстием для фиксации торца оптического волокна и ввода излучения в световод. На системном фиксаторе расположен светодиод. Провода передачи сигнала пружинообразно намотаны на свободную часть направляющих. Технический результат - измерение амплитуды оптической волны, после прохождения спектросмещающего оптического волокна, для волокна различной протяженности. 4 ил.

Устройство мониторинга переизлучающей способности спектросмещающего оптического волокна в светоизолирующем корпусе, включающее фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), а также светодиод, соединенный с генератором импульсов напряжения проводами передачи сигнала, отличающееся тем, что светоизолирующий корпус состоит из двух, соединенных между собой, частей: корпус ФЭУ и корпус внутренней части устройства; внутренняя часть устройства представляет собой две направляющие, закрепленные в торцевых неподвижных фиксаторах, первый фиксирует торец спектросмещающего оптического волокна на поверхности входного окна ФЭУ, а второй содержит на внешней, относительно корпуса, части разъем, на который кабелем подключают генератор электрических импульсов; также внутренняя часть измерительной установки содержит фиксаторы с возможностью перемещения вдоль направляющих в зависимости от длины спектросмещающего оптического волокна; фиксаторы с возможностью перемещения вдоль направляющих представлены двумя типами - вспомогательные, расположенные вдоль спектросмещающего оптического волокна, и системный с отверстием для фиксации торца спектросмещающего оптического волокна и ввода излучения в световод; на системном фиксаторе также расположен светодиод; провода передачи сигнала пружинообразно намотаны на свободную часть направляющих.