石英玻璃及石英光纤的抗辐射性能研究

摘要

近年来，石英玻璃及石英光纤在辐射环境下的应用逐渐引起了人们的广泛关注，但研究者们在关于材料组成对两者的抗辐射性能的影响、不同辐射条件下的辐致损伤等问题的理解上存在一定的分歧。为了进一步研究石英玻璃及光纤的辐致损伤机制和影响因素，为制备具有较高抗辐射性能的石英光纤奠定理论基础，本文以等离子体化学气相沉积工艺（PCVD）制备的高纯、掺杂石英玻璃及石英光纤为研究对象，分析了掺杂对石英玻璃结构以及抗辐射性能的影响，对比了不同材料组成的石英光纤的抗辐射性能，研究了辐致损耗与辐射条件之间的相关性，同时就石英光纤抗辐射性能的优化开展了一些研究工作。主要研究内容和结论如下：
　　 （1）红外光谱及Raman光谱测试结果表明，氟在石英玻璃中的存在状态为[SiO3F]，氟的引入将增大断网几率，减少石英玻璃中的三元环与四元环等结构。石英玻璃的抗辐射能力随着掺F量的增加而增加。电子自旋共振谱（ESR）测试结果表明，纯石英玻璃及掺氟石英玻璃在200-900nm波段的吸收主要来自于SiE’心，对SiE’心的形成机制进行了解释，并给出了SiE’心吸收与辐照剂量之间的函数关系。
　　 （2）在掺锗石英玻璃Raman光谱中，既出现了[SiO4]、[GeO4]的特征振动峰，如Si-O-Si伸缩振动峰（1060cm-1）以及Si-O-Si弯曲振动（420cm-1）与Ge-O-Ge弯曲振动（440cm-1）相叠加后的强峰，同时也出现了Ge-O-Si的振动峰（675cm-1），说明出现了[SiO4]和[GeO4]之间的相互连接现象，同时采用二能级理论模型对三元环与四元环特征峰的变化进行了解释。单掺锗石英玻璃的抗辐射能力随着锗含量的增加而恶化，辐照之后出现了大量与锗有关的色心，色心的吸收主要在193nm、213nm、242nm以及300nm附近，这些色心使得石英玻璃在紫外波段的吸收增加、透过率下降。此外，将ESR结果与吸收光谱结果进行了关联，对掺锗石英玻璃中的缺陷进行了辨认。研究表明：300nm的吸收与Ge（1）心的浓度符合良好的线性，而213nm的吸收与GeE’心浓度之间不存在线性关系。
　　 （3）在介绍石英光纤材料组成与结构的基础上，提出了PCVD工艺在制备抗辐射光纤方面的优势，简要分析了抗辐射光纤产品的开发思路。对比研究了三种不同结构组成的单模光纤的抗辐射性能，它们的抗辐射能力由高到低顺序为：纯硅芯光纤>采用功能梯度概念设计制造的氟锗共掺单模光纤>单掺锗石英芯单模光纤。同时评估了一种普通多模光纤在不同辐照条件下抗辐射能力。光纤的折射率剖面测试结果表明，即使较高剂量（10kGy/h×10h）的Gamma射线辐照也不会对光纤的波导结构造成明显影响。此外，结合ESR结果给出了光纤中引起辐致吸收的缺陷的转变过程，得到了单模光纤在1550nm、多模光纤在1300nm波段的辐致损耗与辐照条件之间的函数关系，借由此关系可以对光纤的抗辐射能力给出预估。
　　 （4）研究纯硅芯单模光纤以及氟锗共掺单模光纤的抗辐射性能对拉丝工艺的依赖性发现，前者受拉丝工艺影响较大，后者受拉丝工艺影响小，因而更适合规模生产。对比单独载氢以及预辐照结合载氢对光纤抗辐射性能的优化效果，结果表明预辐照结合载氢更有助于改善光纤的抗辐射性能。这对于图象传输用光纤具有较大意义。