耐辐照光纤的瞬态辐照实验及峰值感生损耗的测定

    0 引言

    研制应用于核诊断系统的耐辐照光纤，主要关心的是它在 0 ～1μs 时间内的瞬态辐照效应，即大剂量瞬态峰值感生损耗以及发光等随时间的变化。这些结果，只有实施辐照实验来完成，而且其辐照感生损耗又与辐照参数、纤维参数记忆实验条件密切相关。迄今为止，国内这方面的相关报道较少。本文的主要内容是具体的辐照实验和感生损耗的测定与分析。实验的首要目的是获知产品的有关资料，找出可应用的定量数据来不断改进结构和工艺，使其符合并满足特殊需要和用途;其次，为产品的应用设计和系统定标服务。

    1 辐照机理

    光纤受到高能光子、高能带电粒子和中子的辐照后，主要产生两种效应: 损耗增加和发光，这些效应在连续稳态和脉冲两种辐射条件下都会产生。

    1. 1 损耗增加效应

    石英光纤的二氧化硅基体结构是无定型连续无穷三维网络，远非完整规则的晶格点阵，其中夹杂了大量的缺陷，这些缺陷包括杂质 ( 人为掺进去的和无意夹入的) 、裂隙、缺位、断键、受力键 ( 或扭曲键)等等。这些缺陷有些直接造成损耗，有些在受到高能粒子辐照后才会导致损耗增加，后者亦称之为 “前驱缺陷”。光纤受辐照会在二氧化硅基体中产生电子和空穴，它们被附近的 “前驱缺陷”吸收则形成 “色心”，这些 “色心”会吸收特定波长的传输光，从而导致原有损耗较其本征损耗大得多，依照辐照条件不同可达几倍至几十万倍，以致完全变黑而不能通光。同时辐照也可以造成二氧化硅中的原子发生位移、断键、杂质变价等效应，产生新的缺陷，形成新的 “色心”。

    1. 2 发光效应

    电离辐射 ( γ 射线、X 射线、脉冲电子、中子等)在光纤中会发光，即荧光和切伦科夫光。这些发光对实验乃至将来的应用都是不利的，是一个假信号或“噪声”，它可能破坏光电检测器或使其饱和。荧光的中心波长约在0. 45μm 处，产生的机理主要同 Si － O 键的恢复有关。切伦科夫光的峰值波长在 0. 57μm，半宽150 nm，强度较大，持续时间小于 1ps，这由光纤的直径决定，也要受辐射脉冲宽度以及光纤模色散和材料色散的影响。

    在高于 200 keV 的电离作用下，发光的主要成分是切伦科夫光。切伦科夫光在核诊断中可能成为一种有用的光，因为利用切伦科夫效应可以探测快速粒子，它可以探测 γ 射线的强度，这就是我们对其研究的原因所在，也是国外正在研究的一大课题^［1］。但是，对于耐辐照光纤瞬态峰值感生损耗的测定而言，这些发光，可能干扰和影响测量精度，必须在实验中给予解决。