Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Расчетно-теоретическое обоснование построения измерителя профиля показателя преломления (ИПП-1) 19
1.1. Измерение профиля показателя преломления (ППП) в оптических кварцевых заготовках. Обзор литературы 19
1.2. Теоретические основы алгоритма вычисления ППП по методу дефлектометрии для цилиндрически симметричного объекта 26
1.3. Математический алгоритм вычисления ППП 32
1.4. Принципиальная схема и особенности конструкции прибора ИПП-1 41
1.5. Электрическая функциональная схема и программно-расчетный комплекс ИПП-1 48
1.6. Результаты главы 1 52
Глава 2. Испытание прибора ИПП-1 54
2.1. Экспериментальное определение метрологических характеристик ИПП-1 54
2.2. Измерение профиля показателя преломления рабочих и тестовых заготовок на ИПП-1 61
2.3. Прогнозирование параметров оптического волокна на основе измеренных ППП заготовки 70
2.4. Результаты главы 2 73
Глава 3. Разработка диагностического стенда для тестирования параметров кварцевого волокна 75
3.1. Измерение основных эксплуатационных параметров оптического волокна. Обзор литературы 75
3.2. Принципиальная схема спектрального измерительного стенда, его испытание и метрологические характеристики 83
3.3. Результаты главы 3 93
Глава 4. Измерение спектров поглощения кварцевого волокна, облученного гамма-вантами 94
4.1. Воздействие ионизирующего излучения на оптическое волокно. 94
4.2. Измерение спектров поглощения кварцевого оптического волокна во время облучения гамма-квантами 100
4.3. Результаты главы 4 111
5. Заключение 112
6. Литература 115
7. Приложения 124
- Теоретические основы алгоритма вычисления ППП по методу дефлектометрии для цилиндрически симметричного объекта
- Электрическая функциональная схема и программно-расчетный комплекс ИПП-1
- Измерение профиля показателя преломления рабочих и тестовых заготовок на ИПП-1
- Принципиальная схема спектрального измерительного стенда, его испытание и метрологические характеристики
Введение к работе
Актуальность темы
Технология оптического волокна - одна из наиболее интенсивно развивающихся областей науки и техники в последнее десятилетие. Наряду с качественным постоянным совершенствованием связных типов волокна - одномодового и многомодового получили быстрое развитие оптоволоконные технологии специальных типов. К ним относится разработка радиационно-стойких и радиационно-чувствительных волокон для использования в системах мониторинга и контроля потенциально-опасных ядерных объектов, в методиках радиационной терапии в медицине. Интенсивно ведется отработка технологии активного волокна, легированного редкоземельными элементами, которое используется в качестве оптических усилителей в системах связи. Осваивается технология оптоволоконных лазеров на основе активного волокна для промышленности и медицины.
Разработка новых типов оптического волокна предполагает дальнейшее развитие методик тестирования, модернизацию контрольно-измерительного оборудования, а также исследование влияния внешних факторов таких, как температура, радиация на основные эксплуатационные и технологические параметры оптоволоконной продукции. Одним из основных параметров, характеризующих качество волокна и соответственно технологический процесс его изготовления, является распределение показателя преломления по сечению волокна - профиль показателя преломления (ППП). Обычно ППП формируется путем нанесения на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы слоев кварца с различным показателем преломления. Улучшение качества измерения ППП (снижение погрешности, повышение разрешения) позволит более точно отслеживать и контролировать процесс нанесения кварцевых слоев и расширит возможности при изготовлении как стандартного, так и специальных типов оптического волокна. Поэтому дальнейшее развитие метода дефлектометрии -
основного метода для измерения ППП на базе нового предложенного схемотехнического решения и математического алгоритма вычисления является актуальным.
_Важным в научно-техническом отношении является исследование влияния ионизирующего излучения на параметры волокна. Особенный интерес представляет оптическое волокно с чистой кварцевой светопроводящей сердцевиной и фторированной оболочкой. Поскольку чистый нелегированный кварц обладает наибольшей устойчивостью к ионизирующему излучению, такое волокно получило название радиационно-стойкого. С дальнейшим совершенствованием технологии радиационно-стойкого волокна появились новые возможности применения его для контроля радиационной обстановки на атомных станциях, линиях по переработке ядерных отходов, при проведении научных исследований на экспериментальных реакторах, импульсных и стационарных гамма-установках. Одним из актуальных направлений в этой области является исследование параметров радиационно-стойкого волокна непосредственно во время облучения. Эта информация позволит создавать системы непрерывного контроля радиационного фона на больших территориях (распределенные датчики), проводить наблюдения в труднодоступных местах с очень большим радиационным фоном (радиационно-стойкие эндоскопы). Поэтому такие исследования являются актуальными и представляет собой как научный, так и практический интерес.
Цель работы
Разработка контрольно-измерительного комплекса для диагностики основных эксплуатационных и технологических параметров оптического волокна на базе новых предложенных схемотехнических решений, а также использование его для корректировки технологического процесса изготовления и исследования влияния ионизирующего излучения на работоспособность оптического волокна.
Основные задачи работы
Разработка методики измерения профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок с погрешностью не более 10%, пространственным разрешением 40 мкм и создание на ее основе контрольно-измерительного прибора, комплектующего технологическое оборудование для производства оптического волокна.
Разработка многофункционального диагностического стенда для тестирования стандартного и специальных типов оптического волокна, а также для исследования воздействия ионизирующего излучения на эксплуатационные параметры волокна.
Корректировка технологического процесса изготовления кварцевых заготовок и вытяжки оптического волокна. Прогнозирование основных эксплуатационных параметров оптического волокна до стадии вытяжки с целью оптимизации технологических режимов.
Исследование спектров поглощения волокна с чистой кварцевой сердцевиной непосредственно во время облучения гамма-квантами от источника 60Со мощностью 10 рад/с до доз 10 Мрад и 100 рад/с до доз 100 Мрад. Регистрация процесса восстановления волокна после облучения.
5. Исследование спектров поглощения и люминесценции волокна с чистой
кварцевой сердцевиной при воздействии импульсного гамма-излучения
мощностью до 109 рад/с.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении автором дается обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи, кратко излагается содержание работы, характеризуется научная новизна, определяется практическая ценность результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.
Основным содержанием первой главы диссертации является выбор модели, расчетно-теоретическое обоснование и отработка методики измерения ППП оптических кварцевых заготовок.
С этой целью в параграфе 1.1 автором проводится обзор литературы, касающейся проблемы измерения ППП. Анализируются преимущества и недостатки применяющихся на практике методов измерения ППП: интерферометрического, фокусировки и дефлектометрии. На основе проведенного анализа с учетом перечисленных выше требований погрешности и пространственного разрешения в качестве базового автором был выбран метод дефлектометрии. Суть его заключается в сканировании сечения кварцевой заготовки узким световым пучком с последующей регистрацией угла вышедшего излучения. Совокупность всех углов образует функцию отклонения, по которой вычисляется профиль показателя преломления.
Для теоретического обоснования метода дефлектометрии в параграфе 1.2 было использовано уравнение Снелиуса, лежащее в основе интегрального уравнения, связывающего функцию отклонения с показателем преломления для цилиндрически-симметричного объекта. Для численного решения этого уравнения в параграфе 1.3 был разработан алгоритм, предполагающий замену интеграла конечными суммами в исходном уравнении и учитывающий малые углы отклонения для реальных кварцевых заготовок. Для различных ППП была исследована погрешность вычисления по разработанному алгоритму в зависимости от частоты дискретизации функции отклонения (числа задаваемых точек функции отклонения). Методом математического эксперимента исследована чувствительность алгоритма к возможным экспериментальным погрешностям. Расчеты были проведены для наиболее часто встречающихся на практике структур ППП: ступенчатого, параболического с провалом, треугольного с провалом, W - образного и т. д. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что для обеспечения погрешности вычисления ППП в оптических кварцевых заготовках с помощью разработанного алгоритма не более 10%
необходимо измерять соответствующую функцию отклонения со
среднеквадратичной погрешностью не более 5-7%. На основании этого с учетом требований разрешения каждого нанесенного кварцевого слоя в реальных заготовках были определены требования к схемотехническому решению методики.
Приборная реализация была выполнена на базе разработанной оптико-механической схемы, детальное описание которой приведено в параграфе 1.4. При разработке схемы автором были учтены следующие ключевые моменты. Поскольку углы отклонения для реальных кварцевых заготовок обычно соответствуют 10' -г 10" рад, необходимо обеспечить сканирование заготовки пучком с расходимостью не более 10' рад. Учитывая, что толщина наносимых кварцевых слоев обычно составляет 40-И 00 мкм, то для четкой идентификации каждого слоя приборное разрешение схемы должно быть не хуже 40 мкм. Регистрация угла отклонения должна производится с погрешностью не более 7% с частотой дискретизации N>10 на каждый слой, то есть механическая система должна обеспечить величину шага сканирования не более 4 мкм. Для выполнения этих условий была реализована схема с неподвижной заготовкой. Сканирование осуществляется в плоскости, проходящей через ось заготовки. Сканирующим элементов является изображение щелевой диафрагмы, которая освещается излучением гелий-неонового лазера. С помощью телескопической системы изображение переносится в центр заготовки. Регистрация углового положения вышедшего излучения производится посредством фотодиодной линейки, установленной в фокальной плоскости объектива, расположенного за заготовкой. Для исключения влияния компоненты поверхностного отклонения сканирующего пучка тестируемая заготовка помещается в измерительную кювету, заполненную иммерсионной жидкостью с близким к кварцу показателем преломления. Угол отклонения определяется с помощью математической обработки полученного на фотодиодной линейке распределения интенсивности света. Таким образом, сканируя заготовку с шагом «4 мкм, в память компьютера заносится массив
функции отклонения для данного объекта. С помощью программы, на основе разработанного математического алгоритма, вычисляется ППП. Выбранное структурное построение позволило свести к минимуму количество механических деталей и узлов. Обработка оптического сигнала с фотодиодной линейки, учитывающая интенсивность, регистрируемую каждым элементом линейки, дала возможность увеличить чувствительность схемы и добиться требуемого углового разрешения. Использование лазера и телескопической системы обеспечило сканирование заготовки пучком с расходимостью не более 10'2 рад и размер сканирующего элемента «35 мкм, что в конечном итоге обеспечило пространственное разрешение 40 мкм.
Для автоматизации измерительного процесса была реализована электрическая схема, включающая электроприводы на основе шаговых двигателей для сканирования лазерным пучком заготовки и перемещения ее по длине. Описание схемы приведено в параграфе 1.5. Использование шаговых двигателей и фотодиодной линейки позволило посредством ПЭВМ через контроллер программно управлять измерительным процессом. Основные программные модули были разработаны в пакете MATLAB и на языке программирования "Ассемблер". С помощью этих модулей осуществляется автоматическое измерение ППП, расчет геометрических и оптических характеристик тестируемых заготовок, математическое моделирование различных ППП, прогнозирование основных характеристик получаемого из этих заготовок оптического волокна. На основе разработанной схемы был спроектирован и собран контрольно-измерительный прибор ИПП-1, основные узлы которого были изготовлены на производственной базе РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск).
Во второй главе приводятся результаты испытаний прибора ИПП-1.
В параграфе 2.1 автором определены возможные факторы, определяющие погрешность измерения функции отклонения. Показано, что основными источниками являются шумовые характеристики фотодиодной линейки, нестабильность работы лазера, отклонение сканирующего пучка за счет
неоднородностей в оптическом тракте. На основании проведенных исследований
сделаны предварительные оценки метрологических характеристик прибора. Для
подтверждения сделанных оценок было проведено тестирование ИПП-1 на
цилиндрически-симметричных объектах с заранее известными ППП. В параграфе
2.2 приведены результаты проведенных испытаний. В качестве таких объектов
использовались кварцевые стержень и трубка. Для определения
пространственного разрешения использовался набор кварцевых капилляров с различной толщиной стенки. Трубка и капилляры при этом были заполнены жидкостью с известным показателем преломления. ППП указанных объектов относительно иммерсионной жидкости были построены по данным, полученным с помощью рефрактометра ИРФ-22 и измерительного микроскопа NEOPHOT-32. Сравнение результатов показало, что ППП, измеренные с помощью ИПП-1, с точностью до оцененной погрешности измерения совпадают с ППП, построенными с помощью аттестованных приборов. Анализ результатов показал, что погрешность измерения ППП тестовых объектов не превышает 10%, пространственное разрешение соответствует 40 мкм. Сравнительные испытания ППП для одной и той же заготовки были проведены на приборах ИПП-1 и Р-101 ("York Technology",CLLJA) в специализированной экспертной лаборатории на производственном объединении "Электропровод" (г. Москва). Было получено, что геометрические размеры ППП с точностью до оцененной погрешности измерения совпадают. Сравнение количества и формы прописанных слоев легированного кварца, нанесенных внутри заготовки, показало, что на ИПП-1 реализовано более высокое пространственное разрешение. В параграфе 2.3 описана методика прогнозирования основных параметров изготавливаемого волокна. На основании ППП заготовки, полученных с помощью ИПП-1, делались заключения о геометрических и оптических параметрах, наличии микровключений, пузырей, вносились соответствующие корректировки в технологический процесс изготовления кварцевых заготовок. По измеренным ППП прогнозировалась полоса пропускания для градиентного волокна, а для одномодового волокна на
основе метода эквивалентного ступенчатого профиля вычислялась длина волны
отсечки, диаметр пятна моды, числовая апертура. Приведены ППП измеренных
заготовок, из которых были вытянуты стандартные одномодовое и градиентное
волокна. Тестовые испытания этих волокон подтвердили, что реальные параметры
волокна соответствуют спрогнозированным с погрешностью не более 10-И 5%.
Основным содержанием третьей главы является разработка
многофункционального диагностического стенда для тестирования параметров
оптического волокна.
В параграфе 3.1 проведен обзор наиболее часто применяющихся на практике
методов измерения спектрального затухания. При разработке и реализации
методики контроля спектрального затухания учитывалось требование
многофункциональности диагностического стенда, возможного для тестирования
как стандартного, так и специальных типов волокна, имеющего, как правило,
нестандартную геометрию. За основу был принят метод двух точек,
заключающийся в последовательном измерении световой мощности на выходе
длинного и короткого отрезков волокна, с последующим вычислением
коэффициента спектрального затухания. Принципиальная схема диагностического
стенда, описанная в параграфе 3.2, была реализована на основе монохроматора
МДР-2. В качестве источника излучения использовалась кварцевая галогенная
лампа. Разработанная фотоэлектрическая схема стенда на основе фотодиода и
селективного узкополосного усилителя обеспечила необходимый динамический
диапазон измерений: для одномодового волокна - не менее 25 дБ, для
градиентного - не менее 30 дБ. Применение сменных дифракционных решеток, а
также фотоприемных узлов на основе германиевого фотодиода и фотоумножителя
ФЭУ-100 позволило проводить измерения в спектральном диапазоне 200-П600 нм.
Иммерсирование торцов тестируемого волокна, а также применение фильтров
оболочечных мод обеспечило повторяемость измерений спектрального затухания
± 0.1 дБ. Сменные фотоприемные узлы обеспечили измерение параметров волокна
различных типов и диаметров. Процесс записи и обработки информации был
автоматизирован на базе управляющей ПЭВМ. На основе диагностического
стенда были реализованы стандартные методы: "метод переменных диафрагм",
"метод изгиба", "метод дальнего поля" для измерения диаметра пятна моды,
длины волны отсечки, числовой апертуры соответственно. Исследование
факторов, определяющих погрешность измерения указанных параметров волокна,
позволили сделать оценку метрологических характеристик стенда. Было получено,
что стенд обеспечивает измерение диаметра пятна моды с погрешностью ±0.5
мкм, длины волны отсечки - ± 10 нм, числовой апертуры - ± 0.01 (обычно диаметр
пятна моды ~10 мкм, длина волны отсечки ~1 мкм, числовая апертура 0.1-И).4).
Испытания стенда были проведены на стандартных паспортизованных волокнах.
Измеренные параметры в пределах оцененной погрешности совпали с
паспортными данными. Сравнительные испытания были проведены для одного и
того же волокна на разработанном стенде и стандартной установке FOA-2200
("Photon Kinetics", США) на производственном объединении "Электропровод"
(г. Москва). Полученные на разных установках результаты совпали в пределах
оцененной погрешности. Таким образом, тестовые и сравнительные испытания
подтвердили сделанные оценки метрологических характеристик
диагностического стенда.
Совместное использование анализатора ИПП-1 и спектрального стенда позволило скорректировать технологический процесс изготовления стандартного связного волокна. В процессе отработки технологии изготовления кварцевых заготовок оперативный контроль формы ППП позволил оптимизировать процесс проплавлення наносимых слоев легированного кварца, снизить влияние центрального провала в градиентных заготовках, получить параболическую форму ППП. Это в конечном итоге обеспечило требуемую ширину полосы пропускания и геометрические параметры. Измерение спектрального затухания позволило снизить содержание загрязняющих примесей до 1 ppb, а величину водяного пика на длине волны 1.39 мкм с 60 дБ/км до 6 дБ/км. Это обеспечило соответствие коэффициентов спектрального затухания на рабочих длинах волн коммерческим
стандартам. Измерение ППП одномодовых заготовок, прогнозирование волноводных параметров будущего волокна, а также контроль с помощью диагностического стенда длины волны отсечки, диаметра пятна моды, изгибных потерь позволило оптимизировать эти четыре важнейших параметра. Таким образом, совместное использование анализатора ИПП-1 и диагностического стенда позволило в конечном итоге освоить в РФЯЦ-ВНИИТФ технологии стандартного связного, кварц-полимерного, радиационно-стойкого и активного волокна.
Диагностический стенд был применен для исследования кварцевого волокна, подвергшегося воздействию гамма-излучения. Постановка, проведение экспериментов и результаты исследований приведены в четвертой главе работы.
В параграфе 4.1 рассмотрены основные механизмы поглощения световой мощности в оптическом волокне при воздействии ионизирующего излучения. Показано, что оптические волокна, материалом сердцевины у которых служит чистый нелегированный кварц, обладают наибольшей радиационной стойкостью. Открытым остается вопрос исследования спектров поглощения и люминесценции таких волокон непосредственно во время облучения. Эта информация позволит прогнозировать работоспособность волокна при заданных дозовых нагрузках, выбирать оптимальный динамический и спектральный диапазоны сигнала, длину облучаемой части оптоволокна.
Постановка и проведение таких исследований описано в параграфе 4.2. Облучение волокон проводилось на испытательном стенде "ИС-1" (РФЯЦ-ВНИИТФ), являющемся мощной гамма-установкой с источником излучения Со для стационарного облучения различных материалов и препаратов. Исследования проводились для 20 образцов кварц-кварцевого и кварц-полимерного волокна от производителей: ИНФОС (Россия), Polymicro (США), Hestibel (Турция). Кольцо испытуемого оптоволокна располагалось горизонтально вокруг стержневого источника гамма-квантов. Входной и выходной концы волокна выводились из области воздействия рассеянного гамма-излучения и подсоединялись к
диагностическому стенду, описанному в главе 3. По волокну передавался световой сигнал, амплитуда которого регистрировалась во время облучения. Измерения коэффициентов поглощения оптического излучения проводились в спектральном диапазоне от 250 до 700 нм. Было проведено две серии опытов: при мощности дозы ~10 рад/с до интегральных доз ~10 Мрад и при мощнсти ~100 рад/с до ~ 100 Мрад.
Результаты экспериментов показали, что для всех волокон в спектральном диапазоне 250-^-700 нм минимальные наведенные потери соответствуют области 420^-530 нм. Коэффициент поглощения здесь не превысил 1-2 дБ/м. После облучения в этой области зафиксировано наибольшее восстановление, снижение коэффициента наведенного поглощения достигло 40%. В коротковолновой области < 350 нм волокно стало практически непрозрачным без дальнейшего восстановления. Коэффициент поглощения здесть составил более 10 дБ/м. В области 550-^700 нм зафиксировано значительное усиление полосы поглощения в районе 600 нм до 4-6 дБ/м, связанной с известным радиационным дефектом кристаллической структуры кварца - "немостиковый кислород".
Измерения показали, что наведенное поглощение претерпевает в первые минуты после начала облучения резкий скачок до 30%, затем в течение сотен часов идет его медленный рост, близкий к экспоненциальному закону. Аналогично ведет себя и процесс востановления. Зафиксирован резкий спад наведенного поглощения в первые минуты после снятия радиационной нагрузки с последующим в течение сотен часов медленным снижением до уровня 40%).
Сравнение коэффициентов наведенного поглощения для различных волокон показало, что среди однотипных наибольшей стойкостью обладает волокно фирмы Hestibel (Турция). Было зафиксировано, что наведенное поглощение в исследуемых областях для него на 30-50% меньше по сравнению с остальными оптическими волокнами.
Для исследования влияния гамма-излучения на волокно при больших импульсных мощностях были проведены опыты на установке "ИГУР-3" (РФЯЦ-
ВНИИТФ). Дозы облучения в месте расположения исследуемых объектов составляют ~100 рад, длительность гамма-импульса - десятки наносекунд, энергия гамма-квантов - ~ 1 МэВ. Излучение светодиода с длиной волны « 450 нм вводилось в волокно для создания светового опорного сигнала, другой конец подводился к фотодетектору. Середина волокна в виде петли длиной « 0.5 м располагалась в зоне воздействия гамма- излучения установки. Для регистрации сигнала использовался скоростной фотопреобразователь СНФТ-3 с временным разрешением < 2 не. С помощью штатных датчиков установки "ИГУР-3" регистрировалась мощность дозы облучения в центре кольца волокна, а также временная форма импульса гамма-излучения. Часть волокна, вне кольца, была защищена свинцом толщиной ~10 см. Регистрация гамма-импульса и светового сигнала в волоконно-оптическом канале проводилась в едином временном масштабе с помощью скоростного запоминающего осциллографа TDS-220 Tektronix.
Было зарегистрировано, что гамма-импульс вызывает в волокне значительную люминесценцию. Форма светового импульса близка к временной форме импульса гамма-излучения. Уровни проходящего по волокну опорного сигнала до и после гамма-импульса одинаковы, то есть остаточного наведенного поглощения не зафиксировано. Воздействие гамма-импульса с меньшей мощностью за счет удаления петли волокна из зоны облучения показало, что значительная люминесценция, ( отношение Рлюм/ Рсиг ^ 10, где Рсш.-мощность опорного сигнала, Рлюм-мощность света вследствие люминесценции) возникает при мощности дозы > 10 рад/с. На основании этого сделано предположение, что подобные кварцевые волокна могут служить активным элементом безинерционного детектора мощного импульсного гамма-излучения. Соответствующая калибровка датчика позволит оперативно оценивать мощность дозы. Применение быстродействующих приемников и регистрирующей аппаратуры позволит прописывать форму гамма-импульса длительностью до нескольких наносекунд.
В конце каждой главы кратко сформулированы основные полученные результаты.
В заключении автором обобщены результаты диссертационной работы.
Научная новизна
Предложен новый способ вычисления профиля показателя преломления по экспериментально измеряемой функции отклонения для многослойных цилиндрических структур для случая малых углов отклонения.
При измерении профиля показателя преломления по методу дефлектометрии предложен новый способ сканирования оптической заготовки изображением щелевой диафрагмы с последующей регистрацией угла отклонения с помощью фотодиодной линейки, обеспечивающий более высокое пространственное разрешение и меньшую погрешность.
Впервые измерены спектры поглощения оптического волокна с чистой кварцевой сердцевиной непосредственно во время облучения гамма-квантами при мощности дозы 10 рад/с и 100 рад/с до доз 10 Мрад и 100 Мрад. Зарегистрированы динамика нарастания наведенного поглощения и процесс восстановления волокна после облучения.
Впервые экспериментально обнаружено, что при облучении волокна гамма-квантами мощностью дозы 107-109 рад/с длительностью ~ 100 не в волокне возникает процесс люминесценции, временная форма которого повторяет форму гамма-импульса.
Практическая ценность
1. Спроектирован и создан контрольно-измерительный прибор ИПП-1, который является неотъемлемой частью технологического оборудования для изготовления оптического волокна. С помощью прибора проведены измерения профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок и спрогнозированы основные параметры будущего волокна.
2. Разработан многофункциональный диагностический стенд, с помощью
которого проведены измерения основных параметров оптического волокна и
оптоволоконных жгутов: спектрального затухания, числовой апертуры, а для
одномодового волокна - длины волны отсечки, диаметра пятна моды.
Скорректирован технологический процесс изготовления кварцевого волокна на основе данных, полученных с помощью ИПП-1 и диагностического стенда. В результате в РФЯЦ-ВНИИТФ освоены технологии изготовления одномодового, градиентного, радиационно-стойкого и активного оптического волокна.
Измеренные спектральные коэффициенты поглощения кварцевого волокна, облученного гамма-квантами были использованы при оптимизации измерительных оптоволоконных каналов на переднем калориметре установки CMS (Compact Muon Solenoid) на большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider, Церн).
Результаты сравнительных испытаний на радиационную стойкость волокон, выпускаемых ведущими производителями - ИНФОС (Россия), Polymicro (США), Hestibel (Турция), позволяют оптимально выбрать волокно по соотношению цена-качество при разработке различных оптоволоконных датчиков и систем.
6. Обнаруженная при облучении волокна гамма-квантами люминесценция дает основание полагать о возможности разработки дешевого безинерционного оптоволоконного датчика мощного импульсного гамма-излучения.
Защищаемые положения
Схемотехническая реализация метода дефлектометрии измерения профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок, обеспечивающая погрешность измерения не более 10% и пространственное разрешение 40 мкм.
Разработка многофункционального диагностического стенда для измерения основных эксплуатационных параметров оптического волокна.
3. Результаты исследования воздействия на оптическое волокно с чистой
кварцевой сердцевиной стационарного гамма-излучения дозой до 100 Мрад
мощностью до 100 рад/с и импульсного гамма-излучения длительностью ~100 не мощностью до 109 рад/с.
Достоверность
Основные положения, выносимые автором на защиту, подтверждаются
результатами расчетов, их всесторонним анализом, результатами проведенных экспериментальных исследований, а также сравнительными испытаниями, проведенными в других лабораториях.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции "Снежинск и наука", СФТИ, г. Снежинск, 2000 г.; научно-технической конференции "Научная сессия МИФИ-2002. Научно-инновационное сотрудничество", г. Москва, 2002 г., научно-технических семинарах и открытых чтениях в РФЯЦ-ВНИИТФ, г. Снежинск, научно-техническом семинаре в Государственном оптическом институте (ГОИ), г.С.-Петербург, научно-технических совещаниях по международному проекту LHC (Large Hadron Collider, Церн), международном оптическом конгрессе "Фундаментальные проблемы оптики", 18-21 октября 2004 г. Санкт-Петербург.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы изложено в одиннадцати работах [33,34,55,70,117,118,119,120,121,122,123].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 123 наименования цитируемой литературы. Полный объем диссертации - 126 страниц из них 24 рисунка.
Теоретические основы алгоритма вычисления ППП по методу дефлектометрии для цилиндрически симметричного объекта
Рассмотрим прозрачную оптически неоднородную стержнеобразную среду с цилиндрически-симметричным распределением показателя преломления. Для исключения влияния компоненты поверхностного отклонения пучка параллельных лучей, проходящих перпендикулярно оси стержня, поместим его в однородную среду с показателем преломления близким к показателю преломления на границе заготовки: где R - радиус заготовки. Сечение такого объекта схематично изображено на рисунке 1 (стр.28). Для упрощения математических выкладок положим, что радиус этого объекта, а также показатель преломления окружающей среды (иммерсии) равны единице. Это означает, что все геометрические параметры нормализованы, а показатель преломления объекта измеряется относительно иммерсионной среды. Пусть параллельный пучок лучей, определенный координатой у, входит и затем пересекает стержень перпендикулярно его оси. Вследствие возмущения, вызванного присутствием градиента показателя преломления (или его скачком), почти все лучи, прошедшие через объект, будут отклонены от их первоначального направления на угол \/(у), который однозначно связан с координатой у каждого луча. Введем эту характеристику, как функцию отклонения: Вследствие симметричности ограничим рассмотрение положительными значениями у. Очевидно, что вид функции отклонения \\і тесно связан с п(г) и наоборот. Поскольку распределение показателя преломления п(г) стержня является функцией только радиуса стержня, то согласно принципу Ферма световые лучи в такой среде распространяются по кривым, которые удовлетворяют закону Снелиуса [24]: где С - константа для каждого луча; (р- угол, образованный касательной к лучу и направлением увеличения г. В нашем случае падающие лучи параллельны оптической оси системы, поэтому С = у . Очевидно, что все лучи, встречающиеся со стержнем, будут определены в пределах 0 у 1. Уравнение (1.8) представляет собой зависимость функции отклонения от показателя преломления рассматриваемой цилиндрически-симметричной среды.
Оно может быть решено для u(r) при выполнении следующих условий: функция u(r) должна быть возрастающей и кусочно-непрерывной функцией г. При выполнении этих условий можно сделать замену переменных, формально написав: Рассмотрение многих известных профилей показателя преломления оптических кварцевых заготовок показывает, что это условие достаточно хорошо выполняется. Обратимся теперь непосредственно к функции u(r). Из рисунка 1(6) видно, что функция u(r) может иметь вид I и II, то есть два возможных варианта поведения. Кривая I описывает функцию u(r), заключенную от 0 до щ 1 для 0 г 1 и достигающей величины и = 1 для г 1. Это соответствует случаю, когда граничный показатель преломления исследуемого объекта выше, чем ПП иммерсии, в то время как кривая II отражает обратную ситуацию. Уравнения (1.14) и (1.15) могут быть решены относительно n(u) (0 у 1) с помощью замены переменной в левой части, умножения обоих частей на (у 2-и 2)"1/2 и последовательного интегрирования по у от и до 1. Однако при вычислении n(u) в уравнении (1.14), то есть в случае, когда показатель преломления иммерсии ниже показателя преломления на границе преломляющего объекта получается неопределенность, поскольку n(u) неопределена в области 1 и иь так как u=n(r)r.
Чтобы избежать этой неопределенности, положим, что показатель преломления окружающей среды больше или равен показателю преломления на границе объекта (на практике это довольно легко сделать, подобрав, например, прозрачную жидкость с соответствующим показателем преломления). Решение уравнения (1.15) приводит к выражению: которое вместе с соотношением u=n(r)r дает параметрически-полную информацию о распределении показателя преломления в цилиндрически симметричной неоднородной среде. Данное соотношение явилось основой для разработки алгоритма численного восстановления профиля показателя преломления по известной функции отклонения. Поскольку для реальных объектов максимальное изменение показателя преломления обычно не превосходит 1-2%, порядок функции отклонения составляет 10" -4-10" . Учитывая соотношение (1.16), при разработке численного алгоритма восстановления ППП автором было предложено использовать параксиальное приближение. Было сделано допущение, что вследствие малости углов отклонения ух г(у), то есть радиус в точке наибольшего сближения луча с центром объекта примерно равен прицельному параметру у. Таким образом, уравнение (1.16) было заменено следующим соотношением
Электрическая функциональная схема и программно-расчетный комплекс ИПП-1
Взаимодействие электронных узлов прибора ИПП-1 пояснено на функциональной электрической схеме на рисунке 6 (стр. 49). В качестве источника излучения просвечивания заготовки применен He-Ne лазер ЛГН-228. Для сканирования лазерным пучком сечения заготовки и для перемещения ее по длине используются шаговые электроприводы. Измерительный и опорный каналы для нахождения положения лазерного луча выполнены на базе фотодиодных линеек (ФЛ1 и ФЛ2). Для программного управления прибором от ПЭВМ типа PC/AT разработан специальный контроллер. В качестве источника питания прибора применен серийный 200 ваттный блок типа БНН-151.
Приводы смещения лазерного луча и осевого смещения заготовки состоят из одинаковых узлов: шагового двигателя ДШР-80 с формирователями импульсов управления (ПФ1 и ПФ2), двух пар конечных выключателей (S1,S2 и S3,S4), для контроля положения лазерного пучка, заготовки и двухканальной платы управления приводами (УШД1), используемой для задания направления, частоты и времени вращения шаговых двигателей, аппаратного и программного контроля конечных положений приводов. Измерительный и опорный каналы состоят из однотипных модулей: фотолинеек (ФЛ1,ФЛ2), платы ОВС для усиления выходных сигналов фотолинеек (ОВС1,ОВС2), платы амплитудно-цифрового преобразователя, включающей 8-разрядный преобразователь напряжения в код и буферное запоминающее устройство на 1024 числа (АЦП1, АЦП2), платы генератора тактовых импульсов, обеспечивающей синхронизацию работы модулей (ГТИ). Контроллер прибора устанавливается в свободную позицию системной шины ПЭВМ и соединяется с прибором многожильным кабелем. Контроллер фиксирует заполнение буферных запоминающих устройств в АЦП1, АЦП2 и поочередно считывает их содержимое в ПЭВМ. Через контроллер из ПЭВМ передаются уставки для шаговых приводов ПФ1 и ПФ2 и считывается состояние концевых выключателей SI, S2 и S3, S4. Питание прибора осуществляется от однофазной сети 220В. Прибор содержит два источника вторичного электропитания: высоковольтный в составе газового лазера (БПЛ) и низковольтный на четыре напряжения питания: ± 15В, ± 5В (БП). Автоматизация прибора ИПП-1 выполнена на основе ПЭВМ типа Pentium I. Однако стандартная интерфейсная часть позволяет использовать ИПП-1 в комплексе с ПЭВМ типа Pentium II-IV и др.
Полный объем всех управляющих, сервисных, и расчетных программ занимает около 3 Мбайт и умещается на 3 -3.5 дюймовых дискетах. Диалог с пользователем ведется с помощью функциональной клавиатуры. Результаты расчета могут выдаваться либо на экран монитора, либо на печатающее устройство. Основными задачами информационно-вычислительного комплекса являются: - получение функции отклонения; - проведение на основе полученных данных расчета ППП; - прогнозирование основных характеристик соответствующего волокна; - проведение самотестирования прибора. Программы написаны в пакете "MATLAB" , отдельные модули на языке "Ассемблер", что позволило значительно ускорить процесс регистрации данных, обсчета информации и оптимизировать процесс управления прибором. Математическое обеспечение включает в себя следующие основные модули: 1. Модуль измерений. Это основная программа управления работой прибора. С помощью этой программы происходит считывание информации с фотодиодных линеек, управление шаговыми двигателями, а также запись и хранение полученных данных. При запуске этой программы пользователь в интерактивном режиме задает число точек сканирования, величину шага, скорость измерения и т.д.
При этом происходит автоматическое определение отклонения центра тяжести изображения прошедшего через заготовку пучка и на диск производится запись массива функции отклонения и соответствующие координаты (\/(у), у) в виде отдельного файла angle.dat. 2. Модуль обсчета включает в себя программу восстановления ППП из полученного массива (\/(у), У)- В данной программе имеется возможность автоматического или ручного выбора центральной точки, корректировки параметров в случае искривленной заготовки, а также режима автоматического расчета геометрических параметров заготовки (внешние и внутренние диаметры, толщина наносимых слоев и т. д). 3. Модуль тестирования, который включает в себя программу настройки и контроля фотодиодных линеек, а также программу тестирования шаговых двигателей и концевых устройств. Первая программа позволяет в режиме реального времени контролировать амплитуду и форму светового сигнала, что дает возможность оперативно производить подстройку соответствующих узлов прибора. Программа тестирования шаговых двигателей и концевых устройств позволяет проводить проверку работы на разных скоростях, направлениях движения, а также производить опрос состояния концевиков. 4. Модуль сервисных программ включает в себя комплекс программных продуктов, написанных в пакете "MATLAB", которые позволяют: - вычислять, основываясь на данных о ППП для одномодовых заготовок, длину волны отсечки, пятно моды, числовую апертуру по методу эквивалентного ступенчатого профиля, а для градиентных заготовок проводить оценку ширины полосы пропускания; - моделировать ППП любой формы и производить для них расчет указанных параметров; - проводить автоматический поиск указанного ППП и выводить его на экран монитора или принтер с одновременным указанием основных технологических характеристик и условий изготовления соответствующей заготовки, производить расчет, используя несколько снятых сечений; - проводить документирование и оформление полученных результатов.
Измерение профиля показателя преломления рабочих и тестовых заготовок на ИПП-1
Для подтверждения сделанных оценок метрологических характеристик автором было предложено протестировать ИПП-1 на объектах с заранее известным распределением показателя преломления. В качестве таких заготовок использовались: - чистый кварцевый стержень; - трубка из чистого кварца, заполненная иммерсионной жидкостью с известным показателем преломления. В начале проводилось измерение ППП этих объектов с помощью аттестованных измерительных приборов, а затем на ИПП-1. Полученные данные сравнивались между собой. Основными измеряемыми параметрами были: внешние и внутренние диаметры, толщина стенки; показатель преломления чистого кварца относительно показателя преломления иммерсионной жидкости при фиксированной температуре; показатель преломления иммерсионной жидкости при заданной температуре. Для этого тестируемые кварцевый стержень и трубку помещали под микроскоп и измеряли у стержня внешний диаметр, а у трубки - внешний и внутренний диаметры.
В качестве измерительного прибора использовался микроскоп NEOPHOT-32, предназначенный для измерения геометрических параметров заготовок и оптического волокна. Погрешность измерения составляла ± 10 мкм. Измерение показателя преломления иммерсионной жидкости производилось на рефрактометре ИРФ-22 с погрешностью ±0,0005 в температурном диапазоне 10ч-40С (температура, при которой производились измерения, выдерживалась с погрешностью ±0,1 С). Таким образом, зная геометрические размеры, а также абсолютное значение показателя преломления иммерсионной жидкости и чистого кварца (пкв= 1.4572, для і=0.63 мкм [7]), были построены реальные ППП чистого кварцевого стержня, помещенного в иммерсионную жидкость, и кварцевой трубки, заполненной и помещенной в иммерсионную жидкость. Затем с помощью ИПП-1 были измерены ППП этих объектов и проведено их сравнение с реальными . При проведении измерений температура иммерсионной жидкости в рабочей кювете ИПП-1 контролировалась с погрешностью ±0.1 С. На рисунке 11 (стр. 63) приведены ППП для кварцевых стержня и трубки с иммерсионной жидкостью, полученные с помощью ИПП-1, и построенные с помощью рефрактометра ИРФ-22 и микроскопа NEOPHOT-32. Температура иммерсионной жидкости, при которой проводились измерения для стержня, составляла (+24.5 ±0.1) С, а для трубки - (+23.9 ±0.1) С.
В таблице 1 приведены результаты проведенных измерений геометрических и оптических параметров тестовых объектов. Сравнение результатов показало, что отклонения ППП, измеренных с помощью ИПП-1 от реальных не превосходит 10%. Обработка данных показала, что скачок в центре связан с несимметричностью регистрируемой функции отклонения, связанной с конечностью шага сканирования. Зашумленность плоских участков ППП вызвана неоднородностями в оптоэлектронном тракте. Завалы на границах объектов связаны с небольшим различием показателей преломления иммерсионной среды и чистого кварца. Это приводит к появлению дополнительной компоненты поверхностного отклонения функции отклонения, увеличивающей систематическую ошибку на границах объекта. Поэтому для обеспечения погрешности измерения ППП по всему сечению не более 10% необходимо использовать жидкость с показателем преломления, отличающимся не более чем на 3- 5% от показателя преломления на границе объекта.
Было проведено исследование влияния пространственного разрешения на погрешность измерения показателя преломления, когда размер отдельных деталей ППП сравним с приборным пространственным разрешением. Для этой цели на башне для вытяжки оптического волокна (ВНИИТФ) из имеющихся кварцевых труб специально был изготовлен набор капилляров, толщина стенки которых менялась от 20 до 70 мкм. Заполненный иммерсионной жидкостью с промеренными на микроскопе геометрическими параметрами капилляр помещался в измерительную кювету с иммерсионной жидкостью, и затем измерялся соответствующий ППП. По полученным данным производилась оценка величины ошибки восстановления ППП в зависимости от толщины стенки капилляра. В качестве измеряемого параметра рассматривалась максимальная разница показателей преломления иммерсионной жидкости и чистого кварца в центральной части стенки капилляра. На рисунке. 12 (стр.65) приведен ППП кварцевой трубки и капилляра, вытянутого из этой трубки. Толщина стенки капилляра соответствует 40 мкм, температура иммерсионной жидкости +23.9 ± 0.1 С. Было зафиксировано, что абсолютная разность показателей преломления чистого кварца и иммерсионной жидкости соответствует температуре измерения. При уменьшении толщины стенки капилляра разница показателей преломления иммерсии и кварца уменьшается, то есть ППП "размывается". Сравнение ППП нескольких капилляров с разной толщиной стенки показало, что пространственное разрешение при относительной ошибке измерения ППП 10% соответствует « 40 мкм. Сравнительные испытания были проведены с помощью измерения ППП кварцевых заготовок для изготовления градиентного и одномодового волокна на ИПП-1 и приборе Р-101 ("Yorkechnology", США) в специализированной экспертной лаборатории на производственном объединении "Электропровод" (г. Москва). На рисунках 13,14,15 (стр. 67,68,69) приведены результаты проведенных измерений. Было получено, что геометрические характеристики (диаметры сердцевины и оболочки) практически совпадают. Различие величины показателя преломления в сердцевине для приборов составило не более 5%. Однако было зарегистрировано, что на приборе Р-101 нанесенные слои практически не видны (за исключением центральной части, где толщина их 100-200 мкм). Количество прописанных на ИПП-1 слоев легированного кварца соответствовало технологическому процессу. Таким образом, было показано, что реализованное пространственное разрешение на ИПП-1 позволяет регистрировать нанесение каждого технологического кварцевого слоя, что дает возможность контролировать работу всей газораспределительной системы комплекса изготовления кварцевых заготовок. Кроме этого, было зафиксировано, что погрешность измерения ППП в центральной области для прибора ИПП-1 меньше, чем у Р101 (рис. 15, стр.69).
Принципиальная схема спектрального измерительного стенда, его испытание и метрологические характеристики
Для технической реализации поставленной задачи в качестве базового был взят "метод облома " - одна из разновидностей метода двух точек. Суть его заключается в регистрации мощности света, прошедшего через волокно известной длины (1-20 км). Затем волокно обламывается на расстоянии 5-10 м (в зависимости от длины установления модового состава) от входного конца и производится аналогичный замер. Коэффициент затухания вычисляется по формуле: где L,2 и Li - длинный и короткий концы тестируемого волокна соответственно, Рі(Я) и P2W -зарегистрированная мощность света с короткого и длинного концов. Принципиальная схема стенда показана на рисунке 17 (стр. 85). Источником излучения служит вольфрамовая галогенная лампа накаливания КГМ-12-100 мощностью 100 Вт, питаемая от стабилизированного источника постоянного тока Б5-21. Зеркальный мениск с фокусным расстоянием 50 мм фокусируют излучение лампы на входную щель монохроматора с электроприводом развертки по длинам волн. Излучение, выходящее из монохроматора фокусируется на входной торец оптического волокна двумя микроскопными объективами, 5х и 10х с числовой апертурой 0,25. Для уменьшения числовой апертуры между объективами помещена регулируемая круглая диафрагма. Излучение галогенной лампы перед входом в монохроматор модулируется механическим прерывателем, а модулированный выходной поток излучения из исследуемого волокна измеряется фотодетектором.
Стыковка волокна с фотодетектором на основе германиевого фотодиода осуществляется через специальный иммерсионный узел. Управляющая схема (контроллер) включает привод развертки монохроматора, который проходит выбранный спектральный интервал (можно выбрать любой интервал в пределах от синей области видимого спектра до 1,8 мкм, а при использовании другой решетки - и другие интервалы). Сигнал с фотодетектора подается на узкополосный селективный усилитель, далее на аналого-цифровой преобразователь с выходом на ПЭВМ. После снятия спектра Pi (к) волокно обламывают и повторяют измерения для получения спектра Р2(Я).В монохроматоре используется решетка 600 штрих/мм. Ширина входной и выходной щелей обычно устанавливаются равными 1 и 0,1 мм соответственно. Но когда требуется более высокое разрешение, обе щели устанавливают на 0,1 мм. Разрешение монохроматора при этом составляет 1 нм. Держатели концов волокон имеют двоякое назначение. Во-первых, они должны обеспечивать воспроизводимую фиксацию торца волокна в одном и том же положении. Во-вторых, они устроены так, что дают возможность использовать иммерсионную жидкость для минимизации влияния нерегулярностей на торцах волокон, которые могут вызывать паразитные изменения интенсивности детектируемого потока излучения. Само волокно с удаленным с концевой части покрытием плотно вставляется в иглу с внутренним диаметром 0,15 мм (№ 30) таким образом, чтобы конец волокна располагался в заданном месте, и фиксируется прижимной пластиной.
Игла с закрепленным в ней волокном вставлена в иммерсионную камеру и закреплена эпоксидным клеем. Поскольку в иммерсионной камере излучение проходит 1 мм в жидкости, последняя должна обладать пренебрежимо малыми потерями во всем исследуемом спектральном диапазоне. Если при этом выбрать иммерсионную жидкость с более высоким показателем преломления, чем у кварца, она будет служить также для удаления мод, распространяющихся по оболочке волокна. С этой целью иммерсионная камера была заполнена органической жидкостью на основе кремния, аналогичной той, которая использовалась в анализаторе ИПП-1. Перед каждым измерением качество выполненных сколов на концах световода тщательно контролируется под микроскопом. Применение двухфазного синхронного гистерезисного двигателя для модуляции излучения, не требующего схемы стабилизации частоты вращения вместе с высокодобротным селективным усилителем на основе малошумящих операционных усилителей типа УД5441А [45], позволило обеспечить необходимый динамический диапазон измерений не менее 30 дБ. Возможность применения сменных дифракционных решеток, а также приемных узлов на основе германиевого фотодиода ФД-10Г и фотоумножителя ФЭУ-100 позволило проводить измерения в спектральном диапазоне 200-И 700 нм. Для повышения стабильности всего оптоэлектронного тракта в схемах были использованы прецизионные радиоэлементы (отклонение от номинала не более 1%.) Дополнительно, для исключения влияния оболочечных мод, были применены спиральные фильтры, представляющие металлические оправки различного диаметра с возможностью намотки на них необходимого числа витков исследуемого волокна. Процесс записи и обработки информации автоматизирован на базе ПЭВМ типа PC. Для оценки погрешности измерения спектрального затухания на разработанном стенде были исследованы отдельно систематические и случайные составляющие. Было выявлено, что среднеквадратичная погрешность измерения Р(А,) определяется следующими основными составляющими: 1. Стабильностью оптоэлектронного тракта. 2. Линейностью амплитудной характеристики фотоприемного узла. 3. Влиянием неидентичности выполненных сколов волокна . 4. Отношением сигнал-шум. Стабильность оптоэлектронного тракта определяется стабильностью работы лампы, электромеханического прерывателя, фотоприемного узла. Измерения стабильности работы лампы с помощью аттестованного измерителя световой мощности показали, что при использовании стабилизированного источника питания мощность света изменялась более чем на 5% (0.2 дБ), в то время как приборная погрешность не превосходила 1%. В этой связи был введен дополнительно опорный канал, представляющий собой короткое одномодовое волокно, подстыкованное к выходу монохроматора и к фотоприемнику.
