CN112339250A - 一种波移光纤弯折工艺 - Google Patents

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许虹
周良
黄畅
于潜
杨桂安
王艳凤
滕海云
周健荣
修青磊
周晓娟
陈元柏
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Abstract

本发明公开了一种波移光纤弯折工艺，包括如下步骤：将波移光纤在预设温度加热水的水蒸气环境中加热第一预设时间；对加热第一预设时间后的波移光纤弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段弯折第一预设角度；将弯折第一预设角度的波移光纤浸没至预设温度的加热水中第二预设时间；对浸没第二预设时间后的波移光纤继续弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段继续弯折第二预设角度；将继续弯折第二预设角度后的波移光纤继续保持在预设温度的加热水中第三预设时间；对保持第三预设时间后的波移光纤在常温环境下静置第四预设时间。能够有效减小光损耗，且可实现更小的弯转半径。

Description

一种波移光纤弯折工艺
技术领域
本申请涉及光纤弯折工艺技术领域，具体涉及一种波移光纤弯折工艺。
背景技术
波移光纤作为闪烁体中子探测器的核心器件，能够实现对闪烁屏闪烁光的收集和传输。如图1所示，图1中示出的是闪烁体探测器的结构示意图，闪烁体中子探测器主要由中子敏感闪烁屏1、多个双层纵横交错阵列的波移光纤2、光电读出器件3以及配套读出电子学组成。闪烁体中子探测器的工作原理是：入射中子与中子敏感闪烁屏1中的中子敏感元素发生核反应，产生次级带电粒子，次级带电粒子在闪烁体中沉积能量产生闪烁光子，闪烁光子被附近的波移光纤2收集后，发生吸收重发射(例如，吸收蓝光发射绿光)，重发射光经波移光纤2传输至后端。波移光纤端面与光电读出器件3的入射窗耦合，光电读出器件3将重发射的光信号转化为电脉冲信号，电脉冲信号经过后端电子学放大、整形以及甄别后进入数据获取系统，通过对数据进行解析得到入射中子的位置与时间信息。本闪烁体探测器中双层纵横交错阵列的双层波移光纤沿纵向和横向两个方向均匀排布，实现对闪烁光的收集传输。
在实际应用中，波移光纤需要弯转将收集到的闪烁光传输到后端的光电读出器件，弯转部分的波移光纤需要固定在机械支撑体上，不能收集到闪烁光，是探测器的探测死区。为减小探测器的探测死区，需要尽量减少波移光纤的弯转半径。
波移光纤主体材料为掺杂了波移剂的聚苯乙烯(Polystyrene)，以1mm直径的波移光纤为例，图2给出了其在不同弯转直径下的弯转损耗，其中S type是指耐弯折型波移光纤，Non-S type是指普通波移光纤。可以看出，即便是耐弯折型的波移光纤，当弯转半径小于2cm时，波移光纤的弯转损耗将急剧上升，难以保证光的完整传输，再进一步减小弯转半径甚至直接出现机械断裂(S type在弯转半径5mm出现断裂，Non-S type则在15mm)。实际应用中，为保证光传输效率，波移光纤的弯转半径选择在2cm，以保证光损耗低于10％。
传统的波移光纤弯折工艺是将波移光纤固定在带槽的曲面机械支撑室体上拉升来实现的，这种通过拉伸的工艺很容易损伤波移光纤外包层，造成传输效率的进一步降低。
发明内容
本申请旨在提供一种波移光纤弯折工艺，通过水浴加热的方式软化波移光纤，弯折过程中不易出现机械损伤。
本申请提供了一种波移光纤弯折工艺，包括如下步骤：
将波移光纤在预设温度加热水的水蒸气环境中加热第一预设时间；
对加热第一预设时间后的波移光纤弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段弯折第一预设角度；
将弯折第一预设角度的波移光纤浸没至预设温度的加热水中第二预设时间；
对浸没第二预设时间后的波移光纤继续弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段继续弯折第二预设角度；
将继续弯折第二预设角度后的波移光纤继续保持在预设温度的加热水中第三预设时间；
对保持第三预设时间后的波移光纤在常温环境下静置第四预设时间。
进一步地，所述将弯折第一预设角度的波移光纤浸没在预设温度的加热水中的步骤是：在对加热第一预设时间后的波移光纤进行弯折时，将该波移光纤浸没至预设温度的加热水中。
进一步地，所述预设温度的加热水的预设温度为70℃～90℃。
进一步地，所述将波移光纤在预设温度加热水的水蒸气环境中加热的第一预设时间为20s～30s。
进一步地，所述使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的弯折部向波移光纤的平直段弯折的第一预设角度为10°～80°。
进一步地，所述将弯折第一预设角度的波移光纤浸没至预设温度的加热水中的第二预设时间为20s～30s。
进一步地，所述对浸没第二预设时间后的波移光纤继续弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段继续弯折的第二预设角度80°～10°。
进一步地，所述对继续弯折第二预设角度后的波移光纤继续保持在预设温度的加热水中的第三预设时间为20s～30s。
进一步地，所述对保持第三预设时间后的波移光纤在常温环境下静置的第四预设时间大于等于5min。
进一步地，所述常温环境的温度为15℃～25℃。
依据本申请所提供的波移光纤弯折工艺，本弯折工艺通过水浴加热法来实现波移光纤的极限弯转，可以将弯转半径极限从2cm降低到1.5mm，并保证1.5mm弯转半径条件下，波移光纤的弯转损耗也小于10％，远好于波移光纤本身5mm极限弯转下80％的光损耗。水浴加热法处理后的波移光纤，安装到闪烁体探测器上，可以大大减小探测死区，对于大面积拼接型的闪烁体探测器意义非凡。
利用水浴加热法实现波移光纤的极限弯折，合理的加热水温度将波移光纤芯层塑料软化，在软化的同时弯折光纤，使得其芯层和外包层机械损伤小，弯转损耗大大降低。水浴加热法处理后的光纤，在室温下冷却，其柔韧性恢复到出厂状态。
附图说明
图1为现有技术中闪烁体探测器的实物图；
图2为现有技术中Y11型波移光纤的弯转直径和弯转损耗的对比曲线图；
图3为本申请提供的波移光纤弯折工艺的流程图；
图4为本申请提供的波移光纤弯折工艺的弯折过程示意图一；
图5为本申请提供的波移光纤弯折工艺的弯折过程示意图二；
图6为本申请提供的波移光纤弯折工艺的弯折过程示意图三；
图7为本申请提供的波移光纤弯折工艺的弯折过程示意图四；
图8为本申请提供的波移光纤弯折工艺所使用的弯折装置的结构示意图；
图9为图8的局部放大示意图；
图10为本申请提供的波移光纤弯折工艺与现有技术弯折工艺弯折后的波移光纤在显微镜下的对比示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
本申请所提供的波移光纤弯折工艺是将波移光纤沿其轴向方向在其弯折部进行弯折，使得待弯折段与平直段之间弯折呈90°，以满足闪烁体探测器中波移光纤阵列的安装需要。以下实施例中，为更清楚的表达，将波移光纤定义为W，将波移光纤W的平直段定义为W1，将波移光纤W的待弯折段定义为W2，将波移光纤W中的待弯折部定义为W3。其中，待弯折部W3位于待弯折段W2与平直段W1之间，待弯折段W2是相对于平直段W1进行弯折的部分。
本申请所提供的波移光纤弯折工艺是采用水浴加热法的方式对波移光纤W进行加热，使得波移光纤W的整体软化，从而便于沿其待弯折部W3进行弯折。具体的是，通过水浴加热箱200加热形成加热水H，水浴加热箱200可以提供恒定的加热温度，加热水H形成水蒸气h。
参见图3-图7所示，本实施例所提供的波移光纤弯折工艺，包括如下步骤：
第一加热步骤S100，将波移光纤W在预设温度加热水的水蒸气环境中加热第一预设时间。具体而言，是通过水浴加热箱200将水加热至预设温度形成加热水H，加热水H产生水蒸气h，该水蒸气h的温度与加热水H的温度相同，都为预设温度，通过水蒸气h对波移光纤W进行预加热第一预设时间，从而使得波移光纤W的整体初步软化，便于进行弯折。
加热水H和水蒸气h的预设温度都是70℃～90℃，避免过高的温度破坏波移光纤W中波移剂的化学成分稳定性。同时，通过水浴加热箱200进行加热的方式，可以形成恒定的加热温度，保证波移光纤W的待弯折部W3的软化程度，以达到所需弯折的极限弯折程度。本实施方式中，通过水蒸气h环境对波移光纤W进行预加热第一预设时间20s～30s。
第一弯折步骤S200，对加热第一预设时间后的波移光纤W弯折，使得波移光纤W的待弯折段W2沿波移光纤W的弯折部W3向波移光纤W的平直段W1弯折第一预设角度。优选的实施方式中，使得波移光纤W的待弯折段W2沿波移光纤W的待弯折部W3向波移光纤W的平直段W1弯折的第一预设角度为10°～80°。本实施例中，如图4-图7所示，波移光纤W的待弯折部W3有两个，相应的，波移光纤W的待弯折段W2有两个。第一弯折步骤S200使得波移光纤W的待弯折段W2沿波移光纤W的弯折部W3向波移光纤W的平直段W1弯折的第一预设角度为10°～80°，换言之，通过第一弯折步骤S200使得波移光纤W的两个待弯折段W2之间的夹角呈100°～170°。
第二加热步骤S300，将弯折第一预设角度的波移光纤W浸没至预设温度的加热水中第二预设时间。
本实施例中，在将弯折第一预设角度的波移光纤W浸没在预设温度的加热水H中的步骤是：在对加热第一预设时间后的波移光纤W进行弯折时，将该波移光纤W浸没至预设温度的加热水H中。也就是说，在水蒸气h环境弯折的过程同时将波移光纤W浸没至预设温度的加热水H中，如图5所示的实心箭头。
优选的实施方式中，将弯折第一预设角度的波移光纤W浸没至预设温度的加热水H中的第二预设时间为20s～30s。
第二弯折步骤S400，对浸没第二预设时间后的波移光纤W继续弯折，使得波移光纤W的待弯折段W2沿波移光纤W的待弯折部W3向波移光纤W的平直段W1继续弯折第二预设角度。
具体而言，是在第一弯折步骤S400的基础上，在将波移光纤W的待弯折段W2沿波移光纤W的待弯折部W3向波移光纤W的平直段W1弯折第二预设角度。本实施例中，对浸没第二预设时间后的波移光纤W继续弯折，使得波移光纤W的待弯折段W2沿波移光纤W的待弯折部W3向波移光纤W的平直段W1继续弯折的第二预设角度80°～10°
第三加热步骤S500，将继续弯折第二预设角度后的波移光纤W继续保持在预设温度的加热水H中第三预设时间。
具体的，对继续弯折第二预设角度后的波移光纤W继续保持在预设温度的加热水H中的第三预设时间为20s～30s。
静置步骤S600，对保持第三预设时间后的波移光纤在常温环境下静置第四预设时间。
本步骤中，对保持第三预设时间后的波移光纤W在常温环境下静置的第四预设时间大于等于5min，其中，常温环境的温度为15℃～25℃。
以上实施例中，第一预设时间，第二预设时间以及第三预设时间的总和小于两分钟，换言之，第一加热步骤S100，第二加热步骤S300以及第三加热步骤S500的加热时间总和小于两分钟，可使得冷却后的波移光纤W的柔韧性快速恢复，也不会影响波移剂的化学成分的稳定性。
为便于通过本弯折工艺对波移光纤进行弯折，本申请采用波移光纤弯折装置，该弯折装置包括：恒温加热机构和弯折装置本体300，其中，恒温加热机构用于向弯折装置本体300提供恒温环境，该恒温加热机构即为前述的水浴加热箱200。
参见图8所示，弯折装置本体300包括：定位机构，以及活动机构，定位机构包括：定位板31，以及第一压紧组件，活动机构包括：两个定位轴33，两个活动板34，两个第二压紧组件以及两个限位组件36。两个定位轴33分别固定在定位板31的相对两侧边上。定位轴33用于定位波移光纤W的待弯折部W3,第一压紧组件固定在定位板31上，用于定位压紧波移光纤W的平直段W1,第二压紧组件固定在活动板34上，用于定位压紧波移光纤W的待弯折段W2。
具体的是，定位板31为长方形结构，两个定位轴33分别固定在定位板31的相对两短侧边上，两个活动板34分别可转动的安装在两个定位轴33上，限位组件36用于使活动板34与定位板31呈展开状态和直角状态，图8中示出的是直角状态。在展开状态，定位板31的上表面与活动板34的上表面在同一平面内；在直角状态，两个活动板34都朝向定位板的同侧，即，使得活动板34与定位板31呈直角状态，从而将波移光纤W弯折至直角状态。
优选的实施方式中，定位轴33的的半径为1mm～20mm，如此，即可确定波移光纤W的待弯折部W3的弯转半径。
上述实施方式中，活动机构还包括：设置在活动板34上的把手37，以方便操作人员握持操作。
如图8和图9所示，第一压紧组件包括：至少一个第一压紧板32，在定位板31的两长侧边上都还分别设置有凸台311，在各凸台311上设置有至少一个第一安装位(图中未示出)，第一压紧板311的两端分别通过螺栓可拆卸的安装在两个凸台311的第一安装位上。本实施例中，第一压紧组件包括两个第一压紧板32，在各凸台311上分别设置有两个第一安装位，并且，两个凸台上的各第一安装位一一对应，两个第一压紧板311的两端分别通过螺栓可拆卸的安装在一一对应的一凸台311的第一安装位和另一凸台311的第一安装位上。
优选的实施方式中，在定位板31的正面设置有多个第一定位凹槽312，该第一定位凹槽312用于容纳波移光纤W的平直段W1。如此，一次折弯过程可对多个波移光纤W进行折弯操作。
需要说明的是，在将第一压紧板32安装到凸台311的第一安装位上之后，第一压紧板32的底面与定位板31的上设置的第一定位凹槽312的槽底之间的间隙正好适于压紧波移光纤W。
如图8所示，第二压紧组件包括：第二压紧板35，第二压紧板35上设置有多个第二定位凹槽(图中未示出)，第二定位凹槽用于容纳波移光纤W的待弯折段W2的端部。该第二定位凹槽的数量优选的与第一定位凹槽312的数量一致，并且，所有的第二定位凹槽与所有的第一定位凹槽311一一对应，同时，一一对应的第一定位凹槽311与第二定位凹槽在同一直线上。
如图9所示，限位组件36包括：两个固定块361和两个转动块362，图9中仅示出了其中一个固定块361和其中一个转动块362。两个固定块361固定在定位板31上，定位轴33的两端分别固定在两个固定块361上。两个转动块362固定在活动板34上，并且，转动块362上设有适配于定位轴33径向大小的穿孔，定位轴33穿设在两个转动块362上的穿孔中，且定位轴33与穿孔保持间隙配合关系，从而使得活动板34可转动的安装在定位轴33上。
具体的是，在固定块361上设置有定位轴穿孔(图中未示出)，定位轴33的两端分别设置有外螺纹，并且，定位轴33的两端分别穿设在两个固定块361的定位轴穿孔中，并通过锁紧螺母38锁紧固定。
本实施例中，在固定块361上形成有第一斜面363和竖直面364，在转动块362上形成有第二斜面365，活动板34绕定位轴33转动时，转动块362上的第二斜面365接触固定块361上的竖直面364时，活动板34与定位板31呈展开状态，转动块362上的第二斜面365接触固定块361上的第一斜面363时，活动板34与定位板31呈直角状态。
本实施例中，波移光纤弯折装置的使用过程如下：
操作人员松开锁紧螺母38，再通过握持把手37使活动板34和定位板31呈展开状态，即，使得活动板34与定位板31在同一水平面的位置。将多个波移光纤W的平直段W1分别放置在第一定位槽311中，使得待弯折部W3处于定位轴33，待弯折段W2处于活动板34上，安装第一压紧板32和第二压紧板35，以分别压紧平直段W1和待弯折段W2的端部，使得波移光纤呈直线状态。通过水浴加热箱200将一定深度(10cm～20cm)的水加热至70℃～90℃。将波移光纤弯折装置翻面，即定位板31一面朝下面对水浴加热箱，通过产生的水蒸气初步预加热波移光纤。预热第一预设时间20s～30s后，缓慢向内弯转活动板34，直至两个活动板34之间的夹角在100°～170°时，将定位板31浸没至水浴加热箱200的加热水H中。在定位板31浸没至水浴加热箱200的加热水H中第二预设时间20s～30s后，继续将两个活动板34弯折至90°，维持定位板31内的波移光纤在加热水H中第三预设时间20s～30s。保持两个活动板34与定位板31在90°，并提出波移光纤弯折装置，拧紧锁紧螺母38使得两个活动板34保持在90°的状态。在常温状态下静置大于5min，取掉第一压紧板311和第二压紧板，从而去除弯折后的波移光纤。
闪烁体探测器为实现大立体角覆盖，需要多个探测器工作单元拼接。每个探测器单元为了使拼接时探测死区较小，需要将波移光纤阵列从与闪烁屏平行的平面弯折到垂直面，再与后端的光电倍增管耦合。波移光纤的弯转过程中存在弯曲损耗，主要包括：微弯损耗和宏弯损耗。其中微弯损耗是由于光纤受到不均匀应力作用，如侧压力，或温度变化，导致光纤轴发生微小不规则的弯曲所带来的光损耗。由于微弯损耗所带来的影响较小而且很难避免，实际中主要考虑光纤由于宏弯所引起的损耗。光纤的宏弯损耗主要是由于弯转导致光子在其内部传输的光路发生变化，实验中通过测试光纤弯曲前后其传输的光子数变化来衡量。通过本弯折工艺弯折后的波移光纤采用光谱仪测试，测得通过本弯折工艺弯折后的波移光纤的弯转损耗为8％。
如图10所示，通过高倍显微镜观测传统曲面机械支撑拉升的工艺与本申请所提供的弯折工艺弯折后的两种波移光纤的外表面，可以清楚的看到，采用本申请所提供的弯折工艺弯折后的波移光纤，弯转半径小的同时，其外包层机械损伤明显减少，同时弯转损耗也大大降低。两种处理方法处理出的波移光纤在显微镜下可以看到明显的差异，传统机械拉升弯转后的波移光纤出现了外包层的损伤。
综上所述，本实施例所提供的波移光纤弯折工艺，能够有效减小光损耗，且可实现更小的弯转半径。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种波移光纤弯折工艺，其特征在于，包括如下步骤：
将波移光纤在预设温度加热水的水蒸气环境中加热第一预设时间；
对加热第一预设时间后的波移光纤弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的弯折部向波移光纤的平直段弯折第一预设角度；
将弯折第一预设角度的波移光纤浸没至预设温度的加热水中第二预设时间；
对浸没第二预设时间后的波移光纤继续弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段继续弯折第二预设角度；
将继续弯折第二预设角度后的波移光纤继续保持在预设温度的加热水中第三预设时间；
对保持第三预设时间后的波移光纤在常温环境下静置第四预设时间。
2.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述将弯折第一预设角度的波移光纤浸没在预设温度的加热水中的步骤是：在对加热第一预设时间后的波移光纤进行弯折时，将该波移光纤浸没至预设温度的加热水中。
3.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述预设温度的加热水的预设温度为70℃～90℃。
4.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述将波移光纤在预设温度加热水的水蒸气环境中加热的第一预设时间为20s～30s。
5.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的弯折部向波移光纤的平直段弯折的第一预设角度为10°～80°。
6.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述将弯折第一预设角度的波移光纤浸没至预设温度的加热水中的第二预设时间为20s～30s。
7.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述对浸没第二预设时间后的波移光纤继续弯折，使得波移光纤的待弯折段沿波移光纤的待弯折部向波移光纤的平直段继续弯折的第二预设角度80°～10°。
8.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述对继续弯折第二预设角度后的波移光纤继续保持在预设温度的加热水中的第三预设时间为20s～30s。
9.如权利要求1所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述对保持第三预设时间后的波移光纤在常温环境下静置的第四预设时间大于等于5min。
10.如权利要求9所述的波移光纤弯折工艺，其特征在于，所述常温环境的温度为15℃～25℃。
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