Оценка радиационно-наведенных потерь в волоконно-оптических системах

Представлены экспериментальные результаты исследования влияния ионизирующего излучения с разной мощностью дозы на оптоволоконные системы, где используются волокна с германосиликатной сердцевиной (GeO₂) и нелегированной сердцевиной из чистого кварцевого стекла (SiO₂). Выполнена математическая аппроксимация экспериментальных кривых роста радиационно-наведенных оптических потерь в волокне при помощи модифицированного уравнения степенной функции, включающего вклад мощности дозы ионизирующего излучения. Экспериментально установлена корреляция значений эмпирических коэффициентов и мощности дозы ионизирующего излучения. Предложено уравнением функции натурального логарифма описывать зависимость эмпирических коэффициентов, задающих форму кривой роста радиационно-наведенных потерь, от мощности дозы. Предложен подход к восстановлению кривой роста радиационно-наведенных потерь по уравнениям зависимости эмпирических коэффициентов аппроксимации от мощности дозы, что позволяет прогнозировать радиационный отклик рассматриваемого оптического волокна в новых условиях без постановки опыта. Подход показал применимость для одномодовых волокон с кварцевой и германосиликатной сердцевинами световода разной конструкции. На основе описанного подхода составлена методика определения корреляционных уравнений для эмпирических коэффициентов.

1. Girard S. et al. Overview of Radiation Effects on Silica-Based Optical Fibers and Fiber Sensors // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2024. Early Acces. P. 38. DOI: 10.1109/TNS.2024.3511455.

2. Gilard O. et al. New model for assessing dose, dose rate, and temperature sensitivity of radiation-induced absorption in glasses // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 108, N 9. P. 5. DOI: 10.1063/1.3503370.

3. Friebele E. J., Gingerich M. E., Griscom D. L. Survivability of optical fibers in space // Proc. SPIE. Optical Materials Reliability and Testing: Benign and Adverse Environments. 1993. N 1791. P. 177–188. DOI: 10.1117/12.141177.

4. Girard S. et al. Recent advances in radiation-hardened fiber-based technologies for space applications // Journal of Optics. 2018. Vol. 20, N 093001. P. 48. DOI: 10.1088/2040-8986/aad271.

5. Girard S. et al. Overview of radiation induced point defects in silica-based optical fibers // Reviews in Physics. 2019. Vol. 4, N 100032. P. 18. DOI: 10.1016/j.revip.2019.100032.

6. Kashaykin P. F., Tomashuk A. L., Azanova I. S., Vokhmyanina O. L., Dimakova T. V., Maltsev I. A., Sharonova Yu. O., Pospelova E. A. et al. Radiation induced attenuation in pure silica polarization maintaing fibers // Journal of NonCrystalline Solids. 2019. Vol. 508. P. 26–32. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.12.016.

7. Perrot J., Morana A., Marin E. et al. Combined Radiation and Temperature Effects on Brillouin-Based Optical Fiber Sensors // Photonics. 2023. Vol. 10, N 1349. P. 14. DOI: 10.3390/photonics10121349.

8. Regnier E., Flammer I., Girard S. et al. Low-Dose Radiation-Induced Attenuation at InfraRed Wavelengths for P-Doped, Ge-Doped and Pure Silica-Core Optical Fibres // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2007. Vol. 54, N 4. P. 1115–1119. DOI: 10.1109/TNS.2007.894180.

9. Kashaykin P. F., Tomashuk A. L., Vasiliev S. A. et al. Radiation resistance of single-mode optical fibres with view to in-reactor applications // Nuclear Materials and Energy. 2021. Vol. 27, N 100981. P. 11. DOI: 10.1016/j.nme.2021.100981.

10. Girard S., Keurinck J., Boukenter A. Gamma-rays and pulsed X-ray radiation responses of nitrogen-, germanium-doped and pure silica core optical fibers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2004. Vol. 215, N 1-2. P. 187–195. DOI: 10.1016/j.nimb.2003.08.028.

11. Griscom D. L. Self-trapped holes in amorphous silicon dioxide // Physical Review B. 1989. Vol. 40, N 6. P. 4224–4227. DOI: 10.1103/PhysRevB.40.4224.

12. Griscom D. L. Electron spin resonance characterization of self-trapped holes in amorphous silicon dioxide // Journal of Non-Crystalline Solids. 1992. Vol. 149, N 1-2. P. 137–160. DOI: 10.1016/0022-3093(92)90062-O.

13. Иванов Г. А., Первадчук В. П. Технология производства и свойства кварцевых оптических волокон. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. 171 с.

14. Griscom D. L., Gingerich M. E., Friebele E. J. Model for the dose, dose-rate and temperature dependence of radiationinduced loss in optical fibers // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1994. Vol. 41, N 3. P. 523–527. DOI: 10.1109/23.299793.

15. Griscom D. L., Gingerich M. E., Friebele E. J. Radiation-Induced Defects in Glasses: Origin of Power-Law Dependence of Concentration on Dose // Physical Review Letters. 1993. Vol. 71, N 7. P. 1019–1022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.71.1019.

16. Kovacˇevic´ M. S., Savovic´S., Djordjevich A. et al. Measurements of growth and decay of radiation induced attenuation during the irradiation and recovery of plastic optical fibres // Optics & Laser Technology. 2013. Vol. 47. P. 148–151. DOI: 10.1016/j.optlastec.2012.09.019.

17. Rashed A., Mohamed A., Mahmoud I. et al. Modeling of Radiation Induced Attenuation and its Recovery in Optical Fibers // International Journal of Advanced Research in Computer Engineering &Technology (IJARCET). 2013. Vol. 2, N 11. P. 2768–2775.

18. Borgermans P., Brichard B., Decreton M. Models for the radiation induced attenuation in pure silica optical fibres: spectral dependencies and absorption band kinetics // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4547. P. 8. DOI: 10.1117/12.454377.

19. Азанова И. С., Шаронова Ю. О., Поспелова Е. А., Хисамов Д. В., Волынцев А. Б., Филиппов А. В., Петухов И. В. Исследование радиационного отклика оптического волокна при воздействии импульсного ионизирующего излучения // Вестник Пермского университета. Физика. 2022. № 4. С. 52–70. DOI: 10.17072/1994-3598-2022-4-52-70.

20. РФЯЦ-ВНИИЭФ. РОСАТОМ. Радиационные исследования и испытания [Электронный ресурс]: <https://www.vniief.ru/partnership/ckp/Rad/696c4f004e9873debce5bf01408a5e54>. (дата обращения: 14.05.2025)

21. OriginLab. Additional Information of R-squere [Электронный ресурс]: <https://www.originlab.com/doc/Origin-Help/ Details_of_R_square>. (дата обращения: 14.05.2025)