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光ファイバーは、高エネルギー電子、陽子、中性子、X線、γ線などの電離放射線にさらされると、「損傷」を受けます。 [1] [2]「損傷」という用語は、主に光吸収の増加を指し、伝播する光信号の損失につながり、出力端でのパワーの低下につながり、コンポーネントやシステムの早期故障につながる可能性があります。
説明
専門文献では、この現象は放射線誘起減衰 (RIA) または放射線誘起黒化と呼ばれることが多い。パワー損失または「黒化」は、光ファイバーのコアを形成する化学結合が高エネルギーの衝突によって破壊され、新しい電子遷移状態が出現して、対象波長領域でさらなる吸収が生じるために発生する。放射線誘起欠陥は短波長でより多くの吸収を起こす傾向があるため、[3]、放射線損傷を受けたガラスは黄色く見える。
放射線源が除去されると、ファイバーは元の透明性をいくらか回復することができます[3] (回復または「自己修復」と呼ばれるプロセス)。これは、欠陥の熱アニーリングまたは光退色によって発生します。 [2]損傷の程度は、一方では欠陥生成 (過剰減衰) と他方では欠陥消滅 (回復)のバランスによって決まります。 [2]線量率が低い場合、ある程度の暗化を伴って平衡状態 (減衰と回復の間) に達します。ただし、線量率が高い場合、ファイバーの有用性は、全体的な誘導減衰と回復時間に依存します。これらの放射線誘導効果を理解することは、特に、光ファイバーの使用がますます多くの用途で検討されている宇宙ベースの用途にとって重要です。[3] [4]
欠陥
純粋なシリカのような単一成分のガラス材料のマトリックスにも、固有の欠陥が存在します。これらには、酸素格子間原子である過酸素結合 POL (≡Si-OO-Si≡) と、酸素空孔である酸素欠乏中心 ODC (≡Si-Si≡) が含まれます。[4] 電離放射線にさらされると、これらのサイトは電荷 (通常は正孔) を捕捉して、それぞれ過酸素ラジカル POR (≡Si-OO.) と E' 中心 (≡Si.) を形成します。これらの捕捉された電荷は、電磁波の電界と相互作用して吸収を引き起こします。さらに、急速に冷却されたシリカは、歪んだ ≡Si-O-Si≡ 結合を持ち、放射線によって開裂して、それぞれ正孔と電子を捕捉して ≡Si-O. と E' 中心として示される非架橋酸素正孔中心 (NBOHC) を形成します。[5] ガラスにゲルマニウムなどのシリコンと同じ原子価を持つ第二のネットワーク形成物質が含まれている場合、電気陰性度の差によりドーパントが正孔トラップとして有利になります。
被害の軽減
そのため、ドープされたシリカガラスでは放射線による損傷が発生します。純粋なシリカコアファイバーの放射線耐性を向上させるには、これらの固有の欠陥の数密度を最小限に抑える必要があります。欠陥を最小限に抑えるには、ガラスへの不純物の混入を減らすだけでなく、入力ガスの組成を制御し、ファイバー製造のすべての段階でガラスの熱履歴を最適化し、ファイバーコアの応力を最適化することによっても実現できます。その他の戦略には、コアにドーパント（フッ素など）を組み込むことがあり、上記の欠陥中心の形成を最小限に抑えます。[6]
光ファイバー
すべての光ファイバーは、イオン化タイプ、光ファイバーコアのガラス組成、動作波長、線量率、総蓄積線量、温度、コアを伝搬する電力など、いくつかの要因に応じて多少の黒ずみを生じます。[1] 減衰は組成に依存するため、純粋なシリカコアとフッ素ダウンドープクラッドを持つファイバーは、最も放射線耐性が高いファイバーの 1 つであることがわかっています。コアにゲルマニウム、リン、ホウ素、アルミニウム、エルビウム、イッテルビウム、ツリウム、ホルミウムなどのドーパントが存在すると、光ファイバーの放射線耐性が低下します。損傷の影響を最小限に抑えるには、動作波長が高く、線量率が低く、総蓄積線量が低く、温度が高く (加速回復)、信号電力が高く (光退色)、純粋なシリカコアファイバーを使用することをお勧めします。これらの固有の手順に加えて、放射線の影響からファイバーを保護するために外部エンジニアリングが必要になる場合があります。[4]
コア繊維
ゲルマニウム添加コアファイバーは、ゲルマニウムの濃度が高くても耐放射線性があります。このようなファイバーは飽和状態に達し、高温でよく焼きなまし、光退色にも反応します。リン添加コアファイバーの場合、減衰はリン含有量の増加に比例して増加し、これらのファイバーは飽和状態に達しません。高温でも回復は非常に困難です。ホウ素、アルミニウム、およびすべての希土類ドーパントは、ファイバー損失に大きく影響します。[7]
さまざまなベンダーによって製造されたさまざまなSM、MM、PMファイバーの放射線性能が、広範囲の放射線環境でテストされ、まとめられています。[7]
参考文献
- ^ ab Liu, Fuhua, et al. (2012) Effects of Radiation on Optical Fibers", Chapter 20, Recent Progress in Optical Fiber Research, Intech, ISBN 978-953-307-823-6 , pp. 432-450. 2024年2月27日閲覧。
- ^ abc 「2. 放射線の影響と試験」NASAゴダード宇宙飛行センター。2013年2月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年4月17日閲覧。
- ^ abc Doyle, Dominic (2010年1月). 「光学材料の放射線耐性」、第3回エウロパ木星システムミッション機器ワークショップ、ESA ESTEC。2024年2月27日閲覧。
- ^ abc 「特殊光ファイバー」。コヒーレント。
- ^ EJ FriebeleとDL Griscom (1979)。ガラスの放射線の影響、Academic Press、NY。
- ^ Deparis, O.; Griscom, DL; Mégret, P.; Decréton, M.; Blondel, M. (1997). 「ガンマ線にさらされた光ファイバーの NBOHC バンドの発達に対するクラッド厚さの影響」Journal of Non-Crystalline Solids . 216. Elsevier BV: 124–128. Bibcode :1997JNCS..216..124D. doi :10.1016/s0022-3093(97)00123-3. ISSN 0022-3093.
- ^ ab 新井 一夫; 今井 宏明; 磯谷 純一; 細野 秀夫; 阿部 義弘; 今川 宏 (1992-05-01). 「γ線照射フッ素ドープ低OH合成シリカガラスにおけるE'中心と非架橋酸素正孔中心の対生成の証拠」. Physical Review B. 45 ( 18). American Physical Society (APS): 10818–10821. Bibcode :1992PhRvB..4510818A. doi :10.1103/physrevb.45.10818. ISSN 0163-1829. PMID 10000998.