石英玻璃及石英光纖的抗輻射性能研究.pdf

1、近年來(lái)，石英玻璃及石英光纖在輻射環(huán)境下的應(yīng)用逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注，但研究者們?cè)陉P(guān)于材料組成對(duì)兩者的抗輻射性能的影響、不同輻射條件下的輻致?lián)p傷等問(wèn)題的理解上存在一定的分歧。為了進(jìn)一步研究石英玻璃及光纖的輻致?lián)p傷機(jī)制和影響因素，為制備具有較高抗輻射性能的石英光纖奠定理論基礎(chǔ)，本文以等離子體化學(xué)氣相沉積工藝（PCVD）制備的高純、摻雜石英玻璃及石英光纖為研究對(duì)象，分析了摻雜對(duì)石英玻璃結(jié)構(gòu)以及抗輻射性能的影響，對(duì)比了不同材料組成的石英光纖的

2、抗輻射性能，研究了輻致?lián)p耗與輻射條件之間的相關(guān)性，同時(shí)就石英光纖抗輻射性能的優(yōu)化開展了一些研究工作。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 （1）紅外光譜及Raman光譜測(cè)試結(jié)果表明，氟在石英玻璃中的存在狀態(tài)為[SiO3F]，氟的引入將增大斷網(wǎng)幾率，減少石英玻璃中的三元環(huán)與四元環(huán)等結(jié)構(gòu)。石英玻璃的抗輻射能力隨著摻F量的增加而增加。電子自旋共振譜（ESR）測(cè)試結(jié)果表明，純石英玻璃及摻氟石英玻璃在200-900nm波段的吸收主要來(lái)自于SiE

3、’心，對(duì)SiE’心的形成機(jī)制進(jìn)行了解釋，并給出了SiE’心吸收與輻照劑量之間的函數(shù)關(guān)系。
　　 （2）在摻鍺石英玻璃Raman光譜中，既出現(xiàn)了[SiO4]、[GeO4]的特征振動(dòng)峰，如Si-O-Si伸縮振動(dòng)峰（1060cm-1）以及Si-O-Si彎曲振動(dòng)（420cm-1）與Ge-O-Ge彎曲振動(dòng)（440cm-1）相疊加后的強(qiáng)峰，同時(shí)也出現(xiàn)了Ge-O-Si的振動(dòng)峰（675cm-1），說(shuō)明出現(xiàn)了[SiO4]和[GeO4]之間的相互連

4、接現(xiàn)象，同時(shí)采用二能級(jí)理論模型對(duì)三元環(huán)與四元環(huán)特征峰的變化進(jìn)行了解釋。單摻鍺石英玻璃的抗輻射能力隨著鍺含量的增加而惡化，輻照之后出現(xiàn)了大量與鍺有關(guān)的色心，色心的吸收主要在193nm、213nm、242nm以及300nm附近，這些色心使得石英玻璃在紫外波段的吸收增加、透過(guò)率下降。此外，將ESR結(jié)果與吸收光譜結(jié)果進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，對(duì)摻鍺石英玻璃中的缺陷進(jìn)行了辨認(rèn)。研究表明：300nm的吸收與Ge（1）心的濃度符合良好的線性，而213nm的吸收與G

5、eE’心濃度之間不存在線性關(guān)系。
　　 （3）在介紹石英光纖材料組成與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了PCVD工藝在制備抗輻射光纖方面的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)要分析了抗輻射光纖產(chǎn)品的開發(fā)思路。對(duì)比研究了三種不同結(jié)構(gòu)組成的單模光纖的抗輻射性能，它們的抗輻射能力由高到低順序?yàn)椋杭児栊竟饫w>采用功能梯度概念設(shè)計(jì)制造的氟鍺共摻單模光纖>單摻鍺石英芯單模光纖。同時(shí)評(píng)估了一種普通多模光纖在不同輻照條件下抗輻射能力。光纖的折射率剖面測(cè)試結(jié)果表明，即使較高劑量（10kG

6、y/h×10h）的Gamma射線輻照也不會(huì)對(duì)光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)造成明顯影響。此外，結(jié)合ESR結(jié)果給出了光纖中引起輻致吸收的缺陷的轉(zhuǎn)變過(guò)程，得到了單模光纖在1550nm、多模光纖在1300nm波段的輻致?lián)p耗與輻照條件之間的函數(shù)關(guān)系，借由此關(guān)系可以對(duì)光纖的抗輻射能力給出預(yù)估。
　　 （4）研究純硅芯單模光纖以及氟鍺共摻單模光纖的抗輻射性能對(duì)拉絲工藝的依賴性發(fā)現(xiàn)，前者受拉絲工藝影響較大，后者受拉絲工藝影響小，因而更適合規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)比單獨(dú)載