安德烈 丹尼爾 弗拉維奧· 埃斯波西託.拉傑夫· 蘭詹.斯特凡 阿戈斯蒂諾
1 摘要
通過研究伽馬輻射對兩種新型LPG傳感器的影響（i）它們在輻射環境中作為溫度傳感器使用，如果它們能夠存活到伽馬射線暴露（ii）它們在輻射劑量測定中的應用，如果它們表現出顯著的降解伽瑪暴露後。通過這種方式，我們正在開發一個關於伽馬射線下LPG行為的數據庫。
2 研究材料
本研究選擇的光纖，Fiber-A和Fiber-B，購自同一製造商，被宣佈為單模光纖，波長高於1250 nm，包層直徑為125μm，數值孔徑為0.12並且是聚酰亞胺塗層的。對於Fiber-A，1550 nm處的衰減低於0.6 dB / km，而Fiber-B的衰減<0.8 dB / km。在Fiber-A的情況下，核心部件是摻雜的二氧化硅，而包層由純二氧化硅製成。而在Fiber-B中，核心由純二氧化硅製成，並且包層摻雜有氟。最後，建議它們的製造商分別適用於惡劣環境（Fiber-A）和輻射硬化（Fiber-B）。
Fiber-A LPG和Fiber-B LPG的透射光譜分別如圖 所示。它們通過使用OSA模型Yokogawa AQ6370B（分辨率設定為0.1nm）獲得，照射由涉及光譜範圍1100-1700nm中的若干SLED 的寬帶光源提供。在我們的分析中，對於Fiber-A，我們將注意力集中在位於1568 nm處的波段（由於與LP 04 耦合），而對於Fiber-B，我們認為波段位於1560 nm附近（對應於LP 03 ）。在同一圖中，數值光譜還報道用虛線，通過使用所獲得耦合模理論（CMT）模型[ 32，33]。可以觀察到模擬和測量數據之間的良好一致性。
3 研究方法
輻照實驗分兩次進行。纖維-A LPG照射至總劑量為26.6kGy，而Fiber-B LPG累積劑量為29.6kGy。重要的是要強調在兩種情況下劑量率相同並且等於0.2kGy / h。
將每個LPG固定在塑料框架中（如圖所示），並在照射過程中將它們引入隔熱箱中。塑料框架固定產生LPG的光纖部分，並且在傳感器前面具有孔，使其可能暴露於局部溫度變化。同時，該框架有助於在從實驗室到輻射部位的運輸過程中保持LPG免受額外的壓力，並在輻照測試期間保持其應變狀態凍結。由於傳感器對溫度具有敏感性，因此通過使用兩個J型熱電偶，特別注意獲取伽馬曝光期間溫度變化的實時信息。（0.1°C分辨率）放置在盒子外面和傳感器附近的盒子裡。在整個實驗期間，通過NI-cRIO 9211數據記錄器收集溫度數據，並且稍後使用所獲取的值來校正傳感器響應。在這些實驗條件下，通過避免可能由溫度或機械應力引起的任何波長漂移，我們確信觀察到的波長深度變化僅由暴露於伽馬射線產生。
實時調查設置如圖3所示。所述數據採集設備被放置在迷宮狀外屏蔽的結構，而被照射樣品放置到伽馬源附近的絕熱箱。將測量設備放置在距離輻射源 20米的安全距離處。電連接電纜和連接光纖用於耦合兩個實驗部件。連接光纖由鉛磚屏蔽，以防止輻射引起的光傳輸劣化。
LPG的實時監測是通過使用SM125 Micron Optics 讀寫器獲取第2.1節中提到的衰減頻帶的波長偏移來完成的，該探測器工作波長範圍為1525-1590 nm，分辨率為1 pm，採集時間為10 s 時間。通過在裝置內引入光學循環器，LPG以傳輸模式連接到儀器。
4 實驗結果
4.1 光譜表徵和分析
照射後波長偏移和折射率變化
4.2 實時結果
從圖4（a）可以觀察到，對於Fiber-A LPG，波長偏移隨累積劑量增加至約4kGy，相當於連續照射20小時。的插圖圖4 （a）示出了傳感器響應與吸收劑量，期間的前十個小時的連續輻射用作獲得。該響應在該區域表現出線性行為，輻射靈敏度為1.2nm / kGy。錯誤欄也會報告圖4 （a），考慮：（i）與詢問器分辨率相關的測量誤差（下午1點），以及（ii）不完美溫度補償的影響（溫度變化在1°C內測量），可能導致±10 pm的波長檢測誤差。因此，如果用作劑量計，該LPG允許劑量估計，在所考慮的劑量範圍內具有±25Gy（在3σ）的誤差。
遠離線性區域，在輻射中斷期間可以注意到小的恢復效應，以及在從實驗開始約50小時後，即在暴露於約10kGy的劑量之後的飽和行為。
Fiber-B LPG的響應報告在圖4 （b）中，儘管共振波長（~0.2nm）有一些小的變化，但它清楚地表明瞭抗輻射行為。因此，有理由相信即使纖維被宣佈為抗輻射或適用於惡劣環境，開發輻射硬化纖維傳感器的最佳解決方案必須基於純二氧化硅芯纖維。
無論如何，由於LPG在Fiber-A中表現出的輻射靈敏度並不是微不足道的，所取得的結果可能會開發出劑量計，直至總劑量約為4kGy。為此目的，需要進一步的工作來研究LPG響應對劑量率和輻照後恢復效果的依賴性。但是，這些主題超出了本文的範圍。根據我們的知識，已發表的文獻中缺少這些方面，因為對液化石油氣的輻射影響的研究剛剛開始，比較大量有關FBG的出版物。
4.3 溫度靈敏度變化
上圖顯示了在照射之前和之後測量的纖維-A LPG 的LP 04帶的溫度引起的波長偏移的變化。可以注意到，在所研究的範圍內響應是線性的，並且只能觀察到關於曲線斜率（即溫度靈敏度）的微小變化，從48.9 pm /°C到49.3 pm /°C之後。照射。從數值模擬中，這種變化可以與核心熱光係數的變化相關聯一個CØ低於10 -8 /°C（純二氧化硅區域α= 7.80∙10 -6 /°C [ 21 ]）。這個結果也與我們之前關於用Ge摻雜和標準單模光纖寫的LPG的報告一致[ 26 ]。最後，為了完整起見，我們報告了Fiber-B LPG熱敏感度為22.8 pm /°C。
5 結論
即使纖維被宣佈為抗輻射或適用於惡劣環境，開發輻射硬化纖維傳感器的最佳解決方案是純二氧化硅芯纖維。考慮到Fiber-B的輻射靈敏度幾乎可以忽略不計，當LPG 在無應變條件下運行時，它可以作為純溫度傳感器運行。
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