Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ ПРИ ГАММА-НЕЙТРОННОМ РЕАКТОРНОМ ОБЛУЧЕНИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ СМЕШАННОГО ГАММА-НЕЙТРОННОГО РЕАК
ТОРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАРЦЕВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО (ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ) 14
1.1 Структура, основные типы и свойства оптического волокна 14
1.2 Механизмы взаимодействия ионизирующего излучения с материалом
оптического волокна при реакторном облучении 18
1.3 Радиационно-индуцированное поглощение (РИП) света в оптических
волокнах на основе кварцевого стекла при реакторном облучении 21
1.4 Радиационно-индуцированная люминесценция (РИЛ) света в оптическом
волокне на основе кварцевого стекла 30
1.5 Радиационно-индуцированное изменение показателя преломления (РИПП)
под действием реакторного излучения 33
1.6 Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
2.1 Характеристики исследуемых оптических волокон 37
2.2 Установка для исследования РИП на длине волны 1,55 мкм 45
2.3 Установка для исследования спектров РИП в диапазоне 1,1-1,7 мкм 47
2.4 Характеристики и описание исследовательского реактора ИВГ.1М, общая
схема эксперимента 48
2.5 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОБЛУЧАТЕЛЬНОГО АМПУЛЬ
НОГО УСТРОЙСТВА (АУ) 54
3.1 Волоконно-оптические датчики температуры на основе ВБР 54
3.2 Радиационно-стойкие одномодовые волоконные световоды 56
3.3 Разработка и создание облучательного ампульного устройства 57
3.4 Компьютерное моделирование 61
3.5 Разработка методики проведения реакторных испытаний 63
3.6 Результаты методического реакторного эксперимента 64
3.7 Выводы по главе 3 70
ГЛАВА 4. НАВЕДЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ ОВ ПРИ СМЕШАННОМ
ГАММА-НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ 72
4.1 Предреакторные лабораторные исследования образцов ОВ 72
4.2 Исследование зависимости РИП на длине волны 1,55 мкм 77
4.3 Исследование спектров РИП в диапазоне 1,1-1,7 мкм 87
4.4 Исследование радиолюминесценции в процессе облучения 93
4.5 Выводы по главе 4 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
Приложение А. Ампульное устройство. Патент РК № 4912 107
Приложение Б. Приложение Б. Акт внедрения
ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ СМЕШАННОГО ГАММА-НЕЙТРОННОГО РЕАК
ТОРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАРЦЕВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО (ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ) 14
1.1 Структура, основные типы и свойства оптического волокна 14
1.2 Механизмы взаимодействия ионизирующего излучения с материалом
оптического волокна при реакторном облучении 18
1.3 Радиационно-индуцированное поглощение (РИП) света в оптических
волокнах на основе кварцевого стекла при реакторном облучении 21
1.4 Радиационно-индуцированная люминесценция (РИЛ) света в оптическом
волокне на основе кварцевого стекла 30
1.5 Радиационно-индуцированное изменение показателя преломления (РИПП)
под действием реакторного излучения 33
1.6 Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 37
2.1 Характеристики исследуемых оптических волокон 37
2.2 Установка для исследования РИП на длине волны 1,55 мкм 45
2.3 Установка для исследования спектров РИП в диапазоне 1,1-1,7 мкм 47
2.4 Характеристики и описание исследовательского реактора ИВГ.1М, общая
схема эксперимента 48
2.5 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОБЛУЧАТЕЛЬНОГО АМПУЛЬ
НОГО УСТРОЙСТВА (АУ) 54
3.1 Волоконно-оптические датчики температуры на основе ВБР 54
3.2 Радиационно-стойкие одномодовые волоконные световоды 56
3.3 Разработка и создание облучательного ампульного устройства 57
3.4 Компьютерное моделирование 61
3.5 Разработка методики проведения реакторных испытаний 63
3.6 Результаты методического реакторного эксперимента 64
3.7 Выводы по главе 3 70
ГЛАВА 4. НАВЕДЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ ОВ ПРИ СМЕШАННОМ
ГАММА-НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ 72
4.1 Предреакторные лабораторные исследования образцов ОВ 72
4.2 Исследование зависимости РИП на длине волны 1,55 мкм 77
4.3 Исследование спектров РИП в диапазоне 1,1-1,7 мкм 87
4.4 Исследование радиолюминесценции в процессе облучения 93
4.5 Выводы по главе 4 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
Приложение А. Ампульное устройство. Патент РК № 4912 107
Приложение Б. Приложение Б. Акт внедрения
В настоящее время, оснащённость ядерных установок оптическими волоконными световодами (далее «оптическое волокно» или ОВ, а также ВС) и оптоволоконными датчиками на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) [15] является активно растущей тенденцией в атомной промышленности [3, 6] и науке [7]. Уже сейчас разработаны и применяются датчики на основе ВБР для внутриканальных применений в ядерных реакторах [7-11]. Также использование оптических волокон и датчиков на их основе является активно растущим направлением в развитии систем диагностики импульсных [12, 13] и квазистационар- ных [14-17] термоядерных установок. Применимость ОВ в диагностических системах была уже успешно продемонстрирована на протяжении десятилетий на исследовательских токамаках JET (Joint European Torus) [18] и TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) [19]. В международном термоядерном реакторе ИТЭР больше половины параметров плазмы планируется измерять оптическими и лазерными системами, неотъемлемой частью которых являются ОВ [16].
Кроме оптических волокон, интегрированных в системы диагностики плазмы, планируется их использование в ИТЭР в качестве транспортных для передачи оптического сигнала на длине волны 1,55 мкм от датчиков температуры, деформации и ряда других величин на основе ВБР [20], обладающих высокой радиационной стойкостью вплоть до флюенса быстрых нейтронов ~1020 н/см2 [21, 23]. Более тысячи волоконно-оптических датчиков будет закреплено на диверторе и бланкете для диагностики их состояния [20].
В процессе смешанного гамма-нейтронного облучения в оптических волоконных световодах на основе аморфного диоксида кремния (кварцевого стекла) происходит образование радиационно-индуцированного поглощения (РИП) света, радиационно-индуцированной люминесценции (РИЛ), а также, при высоких флюенсах, происходит изменение плотности стекла, сопряженное с изменением его показателя преломления - радиационно-индуцированное изменение показателя преломления (РИИПП) [13]. Среди этих явлений, на радиационную стойкость (в части оптических потерь) в ближнем ИК-диапазоне наибольшее влияние оказывает именно РИП [13].
Однако, стоит отметить ограниченное количество работ, посвященных экспериментальным исследованиям воздействия различных видов излучений на природу изменений физических свойств световодов, в частности, исследованию РИП одномодовых ОВ в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,55 мкм, на которой работает большинство современных оптоволоконных датчиков, до доз и флюенсов, соответствующих ИТЭР [24-31 ]. Превалирующее большинство работ посвящено исследованию свойств многомодовых ОВ в видимом, наиболее подходящем для диагностики плазмы, диапазоне. Таким образом, исследование РИП одномодовых ОВ и оптоволоконных датчиков на их основе в ближнем ИК- диапазоне на длине волны 1,55 мкм является актуальной задачей.
Известно, что для видимого диапазона наиболее радиационно-стойкими являются оптические волокна с нелегированной сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего молекулярный водород [17, 32]. Однако, насыщение водородом ОВ, работающих в ближнем ИК-диапазоне не приемлемо из-за полос поглощения Н2 на рабочей длине волны 1,55 мкм [33].
Наиболее радиационно-стойкими оптическими волокнами в ближнем ИК- диапазоне являются ОВ с нелегированной и легированной фтором сердцевиной из кварцевого стекла и фторсиликатной светоотражающей оболочкой [13]. При высоких флюенсах в ОВ такого типа на длине волны 1,55 мкм РИП обусловлено длинноволновым полосой поглощения с максимумом на длинах волн Х>1,7 мкм, которое монотонно возрастает с поглощенной дозой [24, 29]. Физическая природа данного РИП до сих доподлинно неизвестна.
Стоит отметить, что из-за специфики расположения ОВ в ИТЭР существует необходимость использовать специальные высокотемпературные покрытия, которые могут быть исполнены на основе металлов или органических соединений. Ожидаемые рабочие температуры будут в интервале 150-250 °С [34] в этом диапазоне могут работать ОВ с полиимидным, алюминиевым и медным покрытиях. Кроме того, еще одной особенностью является условие работы ОВ в вакууме. Однако, работы по совместному влиянию реакторного облучения, высокой температуры и вакуума на радиационную стойкость ОВ до начала данного диссертационного исследования отсутствовали, в этой связи, разработка экспериментальных методов изучения физических свойств световодов, с обозначенными выше свойствами, и природы их изменения, равно как и сами экспериментальные исследования воздействия на них реакторного излучения, температуры и вакуума является важной задачей физики конденсированного состояния в сфере применения ОВ в ядерной и термоядерной науке и технике.
Цель работы
Таким образом, целью диссертационной работы было исследование радиационной стойкости в ближнем ИК-диапазоне в одномодовых оптических волокнах на основе кварцевого стекла с различными защитными покрытиями при смешанном гамма-нейтронном облучении в вакууме.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработка облучательного ампульного устройства (АУ), в котором будут находиться ОВ.
2. Разработка методики совместного облучения ОВ и волоконных датчиков на реакторе ИВГ.1М.
3. Исследование зависимости оптических потерь ОВ с различными покрытиями от температуры.
4. Исследование РИП на длине волны 1,55 мкм в процессе и после реакторного облучения.
5. Исследование спектров РИП в диапазоне длин волн 1,1-1,7 мкм в процессе и после реакторного облучения.
6. Исследование РИЛ.
Объект исследования: радиационно-стойкие одномодовые волоконные световоды зарубежных производителей с различным защитным покрытием (медь, высокотемпературный полиимид, алюминий, акрилат) и два типа волоконно-оптических датчиков температуры на основе одной и двух волоконных Брэгговских решеток производства FORC-Photonics.
Предмет исследования: радиационная стойкость волоконных световодов и датчиков температуры и деформации на основе волоконных брэгговских решеток при совместном воздействии смешанного гамма-нейтронного облучения, температуры и вакуума.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые было исследовано РИП одномодовых ОВ с нелегированной сердцевиной и фторированной светоотражающей оболочкой в различных защитных покрытиях (полиимид, алюминий, медь), при смешанном гамма- нейтронном облучении на длине волны 1,55 мкм при потоке быстрых нейтронов (E>0,1 МэВ) 2,39-1013 н/(см2-с), мощности дозы у-излучения 1570 Гр/c и контролируемом изменении температуры от 150 до 350 °С.
2. Впервые было установлено, что кроме радиационно-индуцированного поглощения при реакторном облучении при повышенной температуре вклад в наведенные потери могут давать микроизгибные оптические потери металлического покрытия.
3. Впервые при смешанном гамма-нейтронном облучении было исследовано РИП ОВ с полой сердцевиной револьверного типа и была показана перспективность использования данного типа ОВ в качестве внутриреактор- ных, обладающих практически нулевым РИП на длине волны 1,55 мкм.
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Смоделировано и разработано облучательное ампульное устройство (АУ) для реактора ИВГ.1М, позволяющее проводить совместные исследования радиационной стойкости волоконных ОВ и датчиков температуры и деформации на основе волоконных брэгговских решеток в процессе и после смешанного гамма-нейтронного облучения при контролируемом изменении температуры и давления в АУ.
2. Разработаны методики по совместному облучению на реакторе ИВГ.1М и исследованию основных параметров волоконных ОВ и датчиков на основе ВБР. Данные методики также могут применяться для исследования радиационной стойкости ОВ и датчиков на других исследовательских реакторах.
3. Полученные результаты позволят глубже понять физическую природу процессов происходящих в ОВ и датчиках на основе ВБР в условиях совместного влияния реакторного облучения, высокой температуры и вакуума на их рабочие параметры и радиационную стойкость.
Методология и методы исследования. Для достижения поставленной цели применялась разработанная, в рамках данной работы, методика проведения реакторных испытаний радиационно-стойких ОВ и волоконно-оптических ВБР- датчиков температуры в ближнем ИК-диапазоне с in-situ контролем.
Защищаемые положения
1. Длинноволновое радиационно-индуцированное поглощение (Х>1,5 мкм) зависит от температуры. Увеличении температуры от 200 до 350 °С снижает РИП на ~30 % при поглощенной дозе у-излучения 2,8-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов (E>0,1 МэВ) 4,4-1017 н/см2.
2. На длине волны 1,55 мкм РИП света в одномодовых ОВ с нелегированной сердцевиной из чистого кварцевого стекла при поглощенной дозе у-излу- чения 2,8-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов (E>0,1 МэВ) 4,4 1017 н/см2 при температуре облучения 150-350 °С не превышает интервал 0,12- 0,16 дБ/м, что говорит о возможности их применения в ядерных и термоядерных установках.
3. Наличие вакуума при реакторном облучении ОВ приводит к отсутствию диффузии водорода в сердцевину световода и, как следствие, к отсутствию возрастания полосы поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,38 мкм.
4. В ближнем ИК-диапазоне на длинах волн 0,8-1,7 мкм при реакторном облучении нет паразитного вклада радиационно-индуцированной люминесценции на детектируемом уровне сигнала - 60 дБм.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена цель и соответствующие ей задачи исследований, а также, кратко изложено содержание диссертации по главам.
В первой главе представлен литературный обзор по теме диссертационной работы и постановка задачи исследований. Обобщены работы по исследованию радиационно-индуцированного поглощения в оптических волокнах на основе кварцевого стекла при смешанном гамма-нейтронном реакторном облучении.
Во второй главе описаны основные свойства исследуемых оптических волокон. Представлено описание и основные особенности реактора ИВГ.1М, а также экспериментальных установок для исследования РИП на фиксированной длине волны Х=1,55 мкм и спектров в интервале длин волн 1,1-1,7 мкм
В третьей главе приведено описание и адаптирование оптических волоконных световодов (ОВ) и датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), а также экспериментально-измерительного оборудования для проведения облучательных испытаний на реакторе ИВГ.1М. Приведено описание и различные этапы сборки конструкции экспериментального устройства (АУ). В ходе выполнения данной работы были проведены нейтроннофизический расчет с использованием расчетного кода MCNP6 и теплофизический расчет с использованием программного комплекса ANSYS.
В четверной главе представлены результаты предреакторных исследований температурно-индуцированных оптических потерь и определен их уровень для металлопокрытых ОВ в температурном диапазоне 25-400 °С. Описаны результаты сравнительного исследования РИП в пяти номинально радиационностойких одномодовых ОВ и в ОВ с полой сердцевиной различных производителей на длине волны Х=1,55 мкм в условиях реакторного облучения при максимальном флюенсе быстрых нейтронов (E>0,1 эВ) 4,46-1017 н/см2; и поглощенной дозе 2,91-107 Гр. После облучения РИП на длине волны Х=1,55 мкм составляло 0,12-0,16 дБ/м без учета микроизгибных потерь. Достигнутый уровень РИП более чем на порядок ниже, чем в известных литературных источниках, что вероятно связано с существенно более высокой температурой в нашем эксперименте и/или более высокой радиационной стойкостью исследуемых ОВ. Также, помимо ОВ с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, исследовалось ОВ револьверного типа с полой сердцевиной, который представляется многообещающим в качестве внутриреакторного транспортного волокна.
Кроме того, представлены исследования спектров РНП в спектральном диапазоне 1,1-1,7 мкм. Установлено отсутствие возрастание полосы поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,38 мкм из-за отсутствия диффузии атомов водорода в сердцевину ОВ.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается: корректностью и полнотой решаемых задач, использованием современных апробированных методов экспериментальных исследований, объемом и качеством полученных экспериментальных данных, хорошо согласующихся с имеющимися данными литературных источников, апробацией полученных результатов и выводов на международных научных конференциях, а также публикацией в журналах рекомендованных ВАК РФ и изданиях, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus.
Публикации и апробация работы
Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, прошли апробацию на трех международных конференциях, включая доклады подготовленные совместно с руководителем:
1. Гныря В.С., Гордиенко Ю.Н., Кульсартов Т.В., Самарханов К.К., Тюрин Ю.И., Кашайкин П.Ф., Брицкий В.А. Радиационно-индуцированное поглощение света в оптических волоконных световодах при реакторном облучении в вакууме // Сборник тезисов IX Международной конференции «Семипалатинский испытательный полигон: наследие и перспективы развития научно-технического потенциала, Курчатов, 7-9 сент. 2021 г.». - 2021 г., Курчатов, РГП НЯЦ РК. - С.71.
2. Gnyrya V.S., Samarkhanov K.K., Tyurin Yu.I., Kashaikyn P.F., Britskiy V.A., Gordienko Yu.N., Kulsartov T.V., Ponkratov Yu.V., Bochkov V.S. A technique for conducting of reactor in-situ tests of optical fibres and FBG-sensors intended for in-vessel applications in thermonuclear facilities // Book of Abstracts of the 32nd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022). - 18-23 September, Dubrovnik, Croatia. - P.652.
Кроме того, результаты неоднократно докладывались на научных семинарах. Результаты работы вошли в отчет для ИТЭР «Исполнительное соглашение №1 к договору о сотрудничестве между РГП НЯЦ РК и ИТЭР».
На ампульное устройство, применявшееся для проведения экспериментов, имеется:
1. Патент РК № 4919 от 30.04.2020; Гныря Вячеслав Сергеевич, Понкратов Юрий Валентинович, Скаков Мажын Канапинович, Барсуков Николай Иванович, Гордиенко Юрий Николаевич, Заурбекова Жанна Асхатовна, Карамбаева Индира Сергазыевна.
Основные результаты диссертационной работы представлены в пяти публикациях, из них четыре - в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science, одна - в журнале, рекомендованном ВАК:
1. Gnyrya V.S., Tyurin Yu.I., Kashaykin P.F., Kulsartov T.V., Kenzhina I.E., Zaurbekova Zh.A., Samarkhanov K.K., Gordienko Yu.N., Ponkratov Yu.V., Ask- erbekov S.K., Tolenova A.U., Shaimerdenov A.A. A technique for conducting of reactor in-situ tests of optical fibres and FBG-sensors intended for in-vessel applications in thermonuclear facilities // Fusion Engineering and Design 191 (2023) 113787 https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113787.
2. Gnyrya V., Gordienko Yu., Surayev A., Baklanova Yu., Vityuk G.A. et al.
Experimental device design justification for radiation resistance tests of single-mode optical fibers and FBG-based sensors at the IVG.1M reactor // Journal of Physics: Conference Series 2155. - 2022. - 012019. https://doi.org/10.1088/1742-
6596/2155/1/012019 (Scopus - 18%, Q4, CiteScore -0,8).
3. Kashaykin P.F., Tomashuk A.L., Vasiliev S.A., Britskiy V.A., Ignatyev
A. D., Ponkratov Y.V., Kulsartov T.V., Samarkhanov K.K., Gnyrya V.S., Zarenbin
A. V., Semjonov S.L. Radiation Resistance of Single-Mode Optical Fibers at X = 1.55
pm under Irradiation at IVG.1M Nuclear Reactor // IEEE Transactions on Nuclear Science.- 2020.- Vol.67.- Issue 10.- # 9177171.- P. 2162-2171 DOI
10.1109/TNS.2020.3019404 (БД WoS: IF=1,679, Q2 в категории Nuclear Science & Technology; БД Scopus: SJR=0,537, наивысший процентиль 76 по CiteScore в категории Nuclear Energy and Engineering).
4. Irkimbekov R.A., Zhagiparova L.K., Kotov V.M., Vurim A.D., Gnyrya V.S. Neutronics Model of the IVG.1M Reactor: Development and Critical-State Verification // Atomic Energy.- 2019.- Vol.- 127.- Issue 2.- P. 69-76. DOI: https://doi.org/10.1007/s10512-019-00587-1 (IF = 0,302, БД WoS).
5. Жагипарова Л.К., Иркимбеков Р.А., Котов В.М., Вурим А.Д., Гныря
B. С. Нейтронно-физическая модель реактора ИВГ.1М: разработка и верификация по критическому состоянию // Атомная энергия. - 2019.- Т.127.- Ном.2(8).-
C. 63-68. (IF = 0,610).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования (совместно с научным руководителем); проведении экспериментальных исследований влияния облучения гамма-квантами и быстрыми нейтронами на стойкость светодиодов к воздействию эксплуатационных факторов с соавторами при непосредственном участии; обработке результатов экспериментов; формулировании выводов и положений, выносимых на защиту; написание статей совместно с соавторами при непосредственном участии; подготовке докладов и выступлениях на семинарах и конференциях.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Международного проекта термоядерного реактора ИТЭР («Исполнительное соглашение №1 к договору о сотрудничестве между РГП НЯЦ РК и ИТЭР»).
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, приложений. Общий объем диссертации составляет 108 страниц. Работа содержит 4 таблицы, 51 рисунок. Библиография включает в себя 71 наименование.
Кроме оптических волокон, интегрированных в системы диагностики плазмы, планируется их использование в ИТЭР в качестве транспортных для передачи оптического сигнала на длине волны 1,55 мкм от датчиков температуры, деформации и ряда других величин на основе ВБР [20], обладающих высокой радиационной стойкостью вплоть до флюенса быстрых нейтронов ~1020 н/см2 [21, 23]. Более тысячи волоконно-оптических датчиков будет закреплено на диверторе и бланкете для диагностики их состояния [20].
В процессе смешанного гамма-нейтронного облучения в оптических волоконных световодах на основе аморфного диоксида кремния (кварцевого стекла) происходит образование радиационно-индуцированного поглощения (РИП) света, радиационно-индуцированной люминесценции (РИЛ), а также, при высоких флюенсах, происходит изменение плотности стекла, сопряженное с изменением его показателя преломления - радиационно-индуцированное изменение показателя преломления (РИИПП) [13]. Среди этих явлений, на радиационную стойкость (в части оптических потерь) в ближнем ИК-диапазоне наибольшее влияние оказывает именно РИП [13].
Однако, стоит отметить ограниченное количество работ, посвященных экспериментальным исследованиям воздействия различных видов излучений на природу изменений физических свойств световодов, в частности, исследованию РИП одномодовых ОВ в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,55 мкм, на которой работает большинство современных оптоволоконных датчиков, до доз и флюенсов, соответствующих ИТЭР [24-31 ]. Превалирующее большинство работ посвящено исследованию свойств многомодовых ОВ в видимом, наиболее подходящем для диагностики плазмы, диапазоне. Таким образом, исследование РИП одномодовых ОВ и оптоволоконных датчиков на их основе в ближнем ИК- диапазоне на длине волны 1,55 мкм является актуальной задачей.
Известно, что для видимого диапазона наиболее радиационно-стойкими являются оптические волокна с нелегированной сердцевиной из кварцевого стекла, содержащего молекулярный водород [17, 32]. Однако, насыщение водородом ОВ, работающих в ближнем ИК-диапазоне не приемлемо из-за полос поглощения Н2 на рабочей длине волны 1,55 мкм [33].
Наиболее радиационно-стойкими оптическими волокнами в ближнем ИК- диапазоне являются ОВ с нелегированной и легированной фтором сердцевиной из кварцевого стекла и фторсиликатной светоотражающей оболочкой [13]. При высоких флюенсах в ОВ такого типа на длине волны 1,55 мкм РИП обусловлено длинноволновым полосой поглощения с максимумом на длинах волн Х>1,7 мкм, которое монотонно возрастает с поглощенной дозой [24, 29]. Физическая природа данного РИП до сих доподлинно неизвестна.
Стоит отметить, что из-за специфики расположения ОВ в ИТЭР существует необходимость использовать специальные высокотемпературные покрытия, которые могут быть исполнены на основе металлов или органических соединений. Ожидаемые рабочие температуры будут в интервале 150-250 °С [34] в этом диапазоне могут работать ОВ с полиимидным, алюминиевым и медным покрытиях. Кроме того, еще одной особенностью является условие работы ОВ в вакууме. Однако, работы по совместному влиянию реакторного облучения, высокой температуры и вакуума на радиационную стойкость ОВ до начала данного диссертационного исследования отсутствовали, в этой связи, разработка экспериментальных методов изучения физических свойств световодов, с обозначенными выше свойствами, и природы их изменения, равно как и сами экспериментальные исследования воздействия на них реакторного излучения, температуры и вакуума является важной задачей физики конденсированного состояния в сфере применения ОВ в ядерной и термоядерной науке и технике.
Цель работы
Таким образом, целью диссертационной работы было исследование радиационной стойкости в ближнем ИК-диапазоне в одномодовых оптических волокнах на основе кварцевого стекла с различными защитными покрытиями при смешанном гамма-нейтронном облучении в вакууме.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработка облучательного ампульного устройства (АУ), в котором будут находиться ОВ.
2. Разработка методики совместного облучения ОВ и волоконных датчиков на реакторе ИВГ.1М.
3. Исследование зависимости оптических потерь ОВ с различными покрытиями от температуры.
4. Исследование РИП на длине волны 1,55 мкм в процессе и после реакторного облучения.
5. Исследование спектров РИП в диапазоне длин волн 1,1-1,7 мкм в процессе и после реакторного облучения.
6. Исследование РИЛ.
Объект исследования: радиационно-стойкие одномодовые волоконные световоды зарубежных производителей с различным защитным покрытием (медь, высокотемпературный полиимид, алюминий, акрилат) и два типа волоконно-оптических датчиков температуры на основе одной и двух волоконных Брэгговских решеток производства FORC-Photonics.
Предмет исследования: радиационная стойкость волоконных световодов и датчиков температуры и деформации на основе волоконных брэгговских решеток при совместном воздействии смешанного гамма-нейтронного облучения, температуры и вакуума.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые было исследовано РИП одномодовых ОВ с нелегированной сердцевиной и фторированной светоотражающей оболочкой в различных защитных покрытиях (полиимид, алюминий, медь), при смешанном гамма- нейтронном облучении на длине волны 1,55 мкм при потоке быстрых нейтронов (E>0,1 МэВ) 2,39-1013 н/(см2-с), мощности дозы у-излучения 1570 Гр/c и контролируемом изменении температуры от 150 до 350 °С.
2. Впервые было установлено, что кроме радиационно-индуцированного поглощения при реакторном облучении при повышенной температуре вклад в наведенные потери могут давать микроизгибные оптические потери металлического покрытия.
3. Впервые при смешанном гамма-нейтронном облучении было исследовано РИП ОВ с полой сердцевиной револьверного типа и была показана перспективность использования данного типа ОВ в качестве внутриреактор- ных, обладающих практически нулевым РИП на длине волны 1,55 мкм.
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Смоделировано и разработано облучательное ампульное устройство (АУ) для реактора ИВГ.1М, позволяющее проводить совместные исследования радиационной стойкости волоконных ОВ и датчиков температуры и деформации на основе волоконных брэгговских решеток в процессе и после смешанного гамма-нейтронного облучения при контролируемом изменении температуры и давления в АУ.
2. Разработаны методики по совместному облучению на реакторе ИВГ.1М и исследованию основных параметров волоконных ОВ и датчиков на основе ВБР. Данные методики также могут применяться для исследования радиационной стойкости ОВ и датчиков на других исследовательских реакторах.
3. Полученные результаты позволят глубже понять физическую природу процессов происходящих в ОВ и датчиках на основе ВБР в условиях совместного влияния реакторного облучения, высокой температуры и вакуума на их рабочие параметры и радиационную стойкость.
Методология и методы исследования. Для достижения поставленной цели применялась разработанная, в рамках данной работы, методика проведения реакторных испытаний радиационно-стойких ОВ и волоконно-оптических ВБР- датчиков температуры в ближнем ИК-диапазоне с in-situ контролем.
Защищаемые положения
1. Длинноволновое радиационно-индуцированное поглощение (Х>1,5 мкм) зависит от температуры. Увеличении температуры от 200 до 350 °С снижает РИП на ~30 % при поглощенной дозе у-излучения 2,8-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов (E>0,1 МэВ) 4,4-1017 н/см2.
2. На длине волны 1,55 мкм РИП света в одномодовых ОВ с нелегированной сердцевиной из чистого кварцевого стекла при поглощенной дозе у-излу- чения 2,8-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов (E>0,1 МэВ) 4,4 1017 н/см2 при температуре облучения 150-350 °С не превышает интервал 0,12- 0,16 дБ/м, что говорит о возможности их применения в ядерных и термоядерных установках.
3. Наличие вакуума при реакторном облучении ОВ приводит к отсутствию диффузии водорода в сердцевину световода и, как следствие, к отсутствию возрастания полосы поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,38 мкм.
4. В ближнем ИК-диапазоне на длинах волн 0,8-1,7 мкм при реакторном облучении нет паразитного вклада радиационно-индуцированной люминесценции на детектируемом уровне сигнала - 60 дБм.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена цель и соответствующие ей задачи исследований, а также, кратко изложено содержание диссертации по главам.
В первой главе представлен литературный обзор по теме диссертационной работы и постановка задачи исследований. Обобщены работы по исследованию радиационно-индуцированного поглощения в оптических волокнах на основе кварцевого стекла при смешанном гамма-нейтронном реакторном облучении.
Во второй главе описаны основные свойства исследуемых оптических волокон. Представлено описание и основные особенности реактора ИВГ.1М, а также экспериментальных установок для исследования РИП на фиксированной длине волны Х=1,55 мкм и спектров в интервале длин волн 1,1-1,7 мкм
В третьей главе приведено описание и адаптирование оптических волоконных световодов (ОВ) и датчиков температуры на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР), а также экспериментально-измерительного оборудования для проведения облучательных испытаний на реакторе ИВГ.1М. Приведено описание и различные этапы сборки конструкции экспериментального устройства (АУ). В ходе выполнения данной работы были проведены нейтроннофизический расчет с использованием расчетного кода MCNP6 и теплофизический расчет с использованием программного комплекса ANSYS.
В четверной главе представлены результаты предреакторных исследований температурно-индуцированных оптических потерь и определен их уровень для металлопокрытых ОВ в температурном диапазоне 25-400 °С. Описаны результаты сравнительного исследования РИП в пяти номинально радиационностойких одномодовых ОВ и в ОВ с полой сердцевиной различных производителей на длине волны Х=1,55 мкм в условиях реакторного облучения при максимальном флюенсе быстрых нейтронов (E>0,1 эВ) 4,46-1017 н/см2; и поглощенной дозе 2,91-107 Гр. После облучения РИП на длине волны Х=1,55 мкм составляло 0,12-0,16 дБ/м без учета микроизгибных потерь. Достигнутый уровень РИП более чем на порядок ниже, чем в известных литературных источниках, что вероятно связано с существенно более высокой температурой в нашем эксперименте и/или более высокой радиационной стойкостью исследуемых ОВ. Также, помимо ОВ с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, исследовалось ОВ револьверного типа с полой сердцевиной, который представляется многообещающим в качестве внутриреакторного транспортного волокна.
Кроме того, представлены исследования спектров РНП в спектральном диапазоне 1,1-1,7 мкм. Установлено отсутствие возрастание полосы поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,38 мкм из-за отсутствия диффузии атомов водорода в сердцевину ОВ.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается: корректностью и полнотой решаемых задач, использованием современных апробированных методов экспериментальных исследований, объемом и качеством полученных экспериментальных данных, хорошо согласующихся с имеющимися данными литературных источников, апробацией полученных результатов и выводов на международных научных конференциях, а также публикацией в журналах рекомендованных ВАК РФ и изданиях, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus.
Публикации и апробация работы
Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, прошли апробацию на трех международных конференциях, включая доклады подготовленные совместно с руководителем:
1. Гныря В.С., Гордиенко Ю.Н., Кульсартов Т.В., Самарханов К.К., Тюрин Ю.И., Кашайкин П.Ф., Брицкий В.А. Радиационно-индуцированное поглощение света в оптических волоконных световодах при реакторном облучении в вакууме // Сборник тезисов IX Международной конференции «Семипалатинский испытательный полигон: наследие и перспективы развития научно-технического потенциала, Курчатов, 7-9 сент. 2021 г.». - 2021 г., Курчатов, РГП НЯЦ РК. - С.71.
2. Gnyrya V.S., Samarkhanov K.K., Tyurin Yu.I., Kashaikyn P.F., Britskiy V.A., Gordienko Yu.N., Kulsartov T.V., Ponkratov Yu.V., Bochkov V.S. A technique for conducting of reactor in-situ tests of optical fibres and FBG-sensors intended for in-vessel applications in thermonuclear facilities // Book of Abstracts of the 32nd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022). - 18-23 September, Dubrovnik, Croatia. - P.652.
Кроме того, результаты неоднократно докладывались на научных семинарах. Результаты работы вошли в отчет для ИТЭР «Исполнительное соглашение №1 к договору о сотрудничестве между РГП НЯЦ РК и ИТЭР».
На ампульное устройство, применявшееся для проведения экспериментов, имеется:
1. Патент РК № 4919 от 30.04.2020; Гныря Вячеслав Сергеевич, Понкратов Юрий Валентинович, Скаков Мажын Канапинович, Барсуков Николай Иванович, Гордиенко Юрий Николаевич, Заурбекова Жанна Асхатовна, Карамбаева Индира Сергазыевна.
Основные результаты диссертационной работы представлены в пяти публикациях, из них четыре - в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science, одна - в журнале, рекомендованном ВАК:
1. Gnyrya V.S., Tyurin Yu.I., Kashaykin P.F., Kulsartov T.V., Kenzhina I.E., Zaurbekova Zh.A., Samarkhanov K.K., Gordienko Yu.N., Ponkratov Yu.V., Ask- erbekov S.K., Tolenova A.U., Shaimerdenov A.A. A technique for conducting of reactor in-situ tests of optical fibres and FBG-sensors intended for in-vessel applications in thermonuclear facilities // Fusion Engineering and Design 191 (2023) 113787 https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113787.
2. Gnyrya V., Gordienko Yu., Surayev A., Baklanova Yu., Vityuk G.A. et al.
Experimental device design justification for radiation resistance tests of single-mode optical fibers and FBG-based sensors at the IVG.1M reactor // Journal of Physics: Conference Series 2155. - 2022. - 012019. https://doi.org/10.1088/1742-
6596/2155/1/012019 (Scopus - 18%, Q4, CiteScore -0,8).
3. Kashaykin P.F., Tomashuk A.L., Vasiliev S.A., Britskiy V.A., Ignatyev
A. D., Ponkratov Y.V., Kulsartov T.V., Samarkhanov K.K., Gnyrya V.S., Zarenbin
A. V., Semjonov S.L. Radiation Resistance of Single-Mode Optical Fibers at X = 1.55
pm under Irradiation at IVG.1M Nuclear Reactor // IEEE Transactions on Nuclear Science.- 2020.- Vol.67.- Issue 10.- # 9177171.- P. 2162-2171 DOI
10.1109/TNS.2020.3019404 (БД WoS: IF=1,679, Q2 в категории Nuclear Science & Technology; БД Scopus: SJR=0,537, наивысший процентиль 76 по CiteScore в категории Nuclear Energy and Engineering).
4. Irkimbekov R.A., Zhagiparova L.K., Kotov V.M., Vurim A.D., Gnyrya V.S. Neutronics Model of the IVG.1M Reactor: Development and Critical-State Verification // Atomic Energy.- 2019.- Vol.- 127.- Issue 2.- P. 69-76. DOI: https://doi.org/10.1007/s10512-019-00587-1 (IF = 0,302, БД WoS).
5. Жагипарова Л.К., Иркимбеков Р.А., Котов В.М., Вурим А.Д., Гныря
B. С. Нейтронно-физическая модель реактора ИВГ.1М: разработка и верификация по критическому состоянию // Атомная энергия. - 2019.- Т.127.- Ном.2(8).-
C. 63-68. (IF = 0,610).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования (совместно с научным руководителем); проведении экспериментальных исследований влияния облучения гамма-квантами и быстрыми нейтронами на стойкость светодиодов к воздействию эксплуатационных факторов с соавторами при непосредственном участии; обработке результатов экспериментов; формулировании выводов и положений, выносимых на защиту; написание статей совместно с соавторами при непосредственном участии; подготовке докладов и выступлениях на семинарах и конференциях.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Международного проекта термоядерного реактора ИТЭР («Исполнительное соглашение №1 к договору о сотрудничестве между РГП НЯЦ РК и ИТЭР»).
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, приложений. Общий объем диссертации составляет 108 страниц. Работа содержит 4 таблицы, 51 рисунок. Библиография включает в себя 71 наименование.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Смоделировано и разработано облучательное ампульное устройство для реактора ИВГ.1М, позволяющее проводить исследование радиационной стойкости оптических волокон и датчиков температуры и деформации на основе волоконных брэгговских решеток в процессе и после смешанного гамма-нейтронного облучения при контролируемой вариации температуры и давления в ампульном устройстве.
2. Разработаны методики по совместному облучению на реакторе ИВГ.1М и исследованию основных параметров оптических волокон и датчиков на основе ВБР. Данные методики также могут применяться для исследования радиационной стойкости оптических волокон и датчиков на других исследовательских реакторах.
3. Радиационно-индуцированное поглощение в оптических волокнах с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторированной оболочкой в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,55 при смешанном гамма- нейтронном облучении сильно зависит от температуры. При увеличении температуры от 200 до 350 °С РИП снижается на ~30 % при поглощенной дозе 2,8-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов 4,4-1017 н/см2.
4. Наличие вакуума при реакторном облучении приводит к отсутствию возрастания полосы поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,38 мкм при реакторном облучении, что обусловлено отсутствием диффузии водорода в процессе облучения.
5. В ближнем ИК-диапазоне на длинах волн 0,8-1,7 мкм при реакторном облучении нет паразитного вклада радиолюминесценции на детектируемом уровне сигнала больше - 60 дБм.
6. На длине волны 1,55 мкм РИП света в одномодовых ОВ с нелегированной сердцевиной из чистого кварцевого стекла при поглощенной дозе 2,81-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов 4,46-1017 н/см2при температуре облучения 150-350 °С находится в интервале 0,12-0,16 дБ/м, что говорит о возможности их использования в ядерных
1. Смоделировано и разработано облучательное ампульное устройство для реактора ИВГ.1М, позволяющее проводить исследование радиационной стойкости оптических волокон и датчиков температуры и деформации на основе волоконных брэгговских решеток в процессе и после смешанного гамма-нейтронного облучения при контролируемой вариации температуры и давления в ампульном устройстве.
2. Разработаны методики по совместному облучению на реакторе ИВГ.1М и исследованию основных параметров оптических волокон и датчиков на основе ВБР. Данные методики также могут применяться для исследования радиационной стойкости оптических волокон и датчиков на других исследовательских реакторах.
3. Радиационно-индуцированное поглощение в оптических волокнах с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторированной оболочкой в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,55 при смешанном гамма- нейтронном облучении сильно зависит от температуры. При увеличении температуры от 200 до 350 °С РИП снижается на ~30 % при поглощенной дозе 2,8-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов 4,4-1017 н/см2.
4. Наличие вакуума при реакторном облучении приводит к отсутствию возрастания полосы поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,38 мкм при реакторном облучении, что обусловлено отсутствием диффузии водорода в процессе облучения.
5. В ближнем ИК-диапазоне на длинах волн 0,8-1,7 мкм при реакторном облучении нет паразитного вклада радиолюминесценции на детектируемом уровне сигнала больше - 60 дБм.
6. На длине волны 1,55 мкм РИП света в одномодовых ОВ с нелегированной сердцевиной из чистого кварцевого стекла при поглощенной дозе 2,81-107 Гр и флюенсе быстрых нейтронов 4,46-1017 н/см2при температуре облучения 150-350 °С находится в интервале 0,12-0,16 дБ/м, что говорит о возможности их использования в ядерных
