Сотрудники Лаборатории нейтронной физики Объединённого института ядерных исследований  создали прибор, который позволяет не просто выявить дефекты спектросмещающего оптического волокна, но и отслеживать, способен ли исследуемый материал вследствие изъянов сохранять свою главную функцию — переизлучающую способность. Иными словами, новое устройство позволяет понять, насколько дефекты волокон влияют на потери передаваемого по ним света. Запатентованное устройство было применено при создании двух больших детекторов тепловых нейтронов для научных установок исследовательского реактора ИБР-2.

В ЛНФ создаются сцинтилляционные широкоапертурные детекторы тепловых нейтронов с высокой разрешающей способностью. Чтобы реализовать кольцевой детектор диаметром более двух метров, необходимо несколько километров спектросмещающего оптического волокна, который будет собирать свет с этой обширной поверхности. Материал детектора поглощает нейтроны, в результате чего возникает сцинтилляция (свечение в течение долей секунды), которая с помощью оптоволокона передается на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), где преобразуется в электрический сигнал, который затем обрабатывается с использованием аналоговой или цифровой электроники.

«Оптическое волокно — технологически сложный материал, который поглощает свет, переизлучает его и за счет эффекта полного внутреннего отражения транспортирует на большие дистанции», — рассказал соавтор изобретения, младший научный сотрудник Научно-экспериментального отдела комплекса спектрометров ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ Максим Подлесный. Он пояснил, что оптический кабель поставляется в Лабораторию в больших рулонах, в которых местами неизбежно встречаются изъяны: повреждение наружного слоя, надломы, изгибы, а также пузырьки внутри волокон.

С помощью нового прибора было определено, насколько разные виды дефектов ослабляют передаваемый световой сигнал. «Для создания того или иного типа детекторов принимается решение, какие волокна мы можем по-прежнему использовать, а какие — нет. При условии, что дефекты ослабляют сигнал не более, чем на 5–10 %, и учитывая, что свет собирается не одним волокном, а несколькими на один канал регистрации, волокно можно использовать», — прокомментировал Максим Подлесный. В ходе измерений была собрана следующая статистика:

Влияние повреждения световода на его свойства

Тип повреждения	Отклонение от амплитуды сигнала неповрежденного волокна
Пузырек	< 5 %
Внешнее механическое	10–15 %
Надлом	> 20 %

Так, материал с пузырьками подлежит дальнейшему использованию, а надломленный участок — нет.

Освоенные в Лаборатории нейтронной физики технологии по созданию нейтронных детекторов на основе сцинтиллятора 6LiF/ZnS(Ag) открыли возможности по созданию широкоапертурных детекторов тепловых нейтронов. Разработан и создан детектор АСТРА-М для Фурье-стресс-дифрактометра FSD, широкоапертурный детектор обратного рассеяния для Фурье-дифрактометра обратного рассеяния находится на завершающем этапе создания. Эти научные установки предназначены для исследования внутренних напряжений в конструкционных материалах и прецизионного анализа кристаллической структуры образцов. Детекторы высокого разрешения на этих установках реализованы по принципу геометрической временной фокусировки при дифракции, площадь детектирующей поверхности которых достигает 13,8 кв. м. Создание детекторов требует решения ряда технологических задач, одной из которых является исследование качества поставляемого оптического волокна. «Наше приспособление позволяет проверять качество волокон разной длины в одинаковых условиях: торцы волокна одинаково зафиксированы относительно входного окна ФЭУ и светодиода благодаря подвижным фиксаторам», — отметил учёный.

Светоизолирующий корпус устройства состоит из двух соединённых между собой частей: корпус ФЭУ и корпус внутренней части устройства. Внутренняя часть представляет собой две направляющие, закрепленные в торцевых неподвижных фиксаторах. Первый фиксирует торец спектросмещающего оптического волокна на поверхности входного окна ФЭУ, а второй содержит на внешней относительно корпуса части разъем, на который кабелем подключают генератор электрических импульсов. Внутренняя часть измерительной установки содержит фиксаторы, перемещающиеся вдоль направляющих в зависимости от длины оптического волокна. Фиксаторы представлены двумя типами: вспомогательными, расположенными вдоль оптического волокна, и системным, с отверстием для фиксации торца оптического волокна и ввода излучения в световод. На системном фиксаторе расположен светодиод. Провода передачи сигнала пружинообразно намотаны на свободную часть направляющих. Прибор измеряет амплитуду оптической волны после прохождения спектросмещающего оптического волокна для волокна различной протяженности.

Проверка всех используемых для создания детекторов волокон посредством устройства не требуется. «В целом проделывается разовая методическая работа, чтобы собрать статистику по большому количеству волокон. Такая проверка занимает неделю. В дальнейшем можно пользоваться этими данными, выявляя повреждения с помощью микроскопа, и отфильтровывать их, если они не подходят», — резюмировал Максим Подлесный. Он добавил, что приспособление используется для обучения студентов во время прохождения практики.

Патент на изобретение № 2800058 «Устройство мониторинга переизлучающей способности спектросмещающего оптического волокна» был получен Объединённым институтом ядерных исследований 17 июля 2023 года. Авторы — сотрудники ЛНФ ОИЯИ Мария Петрова, Максим Подлесный и Васил Милков.

Источник: ОИЯИ.