石英玻璃及石英光纖的抗輻射性能研究.pdf

1、近年來，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，但研究者們在關(guān)于材料組成對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象，分析了摻雜對石英玻璃結(jié)構(gòu)以及抗輻射性能的影響，對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。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 （1）紅外光譜及Raman光譜測試結(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波段的吸收主要來自于SiE

3、’心，對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]的特征振動峰，如Si-O-Si伸縮振動峰（1060cm-1）以及Si-O-Si彎曲振動（420cm-1）與Ge-O-Ge彎曲振動（440cm-1）相疊加后的強(qiáng)峰，同時(shí)也出現(xiàn)了Ge-O-Si的振動峰（675cm-1），說明出現(xiàn)了[SiO4]和[GeO4]之間的相互連

4、接現(xiàn)象，同時(shí)采用二能級理論模型對三元環(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，簡要分析了抗輻射光纖產(chǎn)品的開發(fā)思路。對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射線輻照也不會對光纖的波導(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)。對比單獨(dú)載