CN112904475A

CN112904475A - 一种单模传感光纤及其应用

Info

Publication number: CN112904475A
Application number: CN202110123239.8A
Authority: CN
Inventors: 胡小龙; 杨坤; 张心贲; 杨晨; 陈翔; 骆城; 汪松; 童维军
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: CN112904475B

Abstract

本发明公开了一种单模传感光纤及其应用，由内而外包括芯层、内包层、外包层和涂层，所述芯层为掺氟石英，其直径D1为8～11μm，相对折射率Δ1％为‑0.2％～‑0.4％；所述内包层为深掺氟石英，其直径D2为56～88μm，相对折射率Δ2％为‑0.55％～‑0.75％；所述外包层为纯石英，其直径D3为123～127μm；所述涂层为聚酰亚胺涂料，其直径D4为150～160μm。本发明提供的光纤，具有超强抗辐射和耐高温性能，该光纤在超强辐射剂量的辐照和高温下的附加衰耗较小。本发明提供的光纤的应用，可用于搭建核反应区域光信号传感系统。

Description

一种单模传感光纤及其应用

技术领域

本发明属于光纤传感特种光纤技术领域，更具体地，涉及一种单模传感光纤及其应用。

背景技术

传感光纤，例如测温传感光纤，具有精确度高和结构简单等特点，相对电信号传感器有先天巨大优势，应用十分广泛，尤其是应用于极端环境。

核电站在运行过程中，需要实时监测核反应状态，而核电站环境中，常规传感光纤在此环境下会出现光纤发脆，涂层断裂脱落，传输信号衰减厉害，光纤寿命小于24小时，无法满足核电站的核反应区域周围测温需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单模光纤及其应用，其目的在于解决满足核电站的核反应区域周围测温需求的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单模光纤，由内而外包括芯层、内包层、以及涂层，所述芯层为掺氟石英，所述内包层为深掺氟石英，所述涂层为聚酰亚胺涂料。

优选地，所述芯层相对折射率Δ1％为-0.2％～-0.4％，所述内包层相对折射率Δ2％为-0.55％～-0.75％。

优选地，所述内包层直径D2与芯层直径D1比值范围为[7,8]。

优选地，所述芯层直径D1为8～11μm，优选直径D1为9～10.5μm；相对折射率Δ1％为-0.3％～-0.35％。

优选地，所述内包层直径D2为56～88μm，优选直径D2为70～84μm；相对折射率Δ2％为-0.65％～-0.70％。

优选地，所述涂层直径D4为150～160μm；所述聚酰亚胺涂料，其玻璃化转变温度大于600℃，粘度为1200～1400mPa.s，拉伸强度大于200Mpa，断裂伸长率大于70％，热膨胀系数小于35ppm/℃，2.5％应变模量为3.0～3.5Gpa，热固化时间小于60s。

优选地，所述内包层外包覆有纯石英外包层，其直径D3为123～127μm。

优选地，所述芯层和包层相对折射率剖面结构均为阶跃型波导结构；所述相对折射率为各芯、包层相对纯二氧化硅的折射率差。

优选地，所述的单模光纤的应用，应用于搭建核电站的核反应区域光信号传感系统。

优选地，所述的单模光纤的应用，应用于搭建核反应区域光纤传感测温系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的单模传感光纤可以长期在500℃高温下性能状态不变；通过优化芯层、包层掺氟深度和包层直径宽度设计、以及配合耐高温涂层性能选择，使得光纤具有超强抗辐照、耐高温性能，保证光纤在小于等于500℃高温和小于等于250kGy辐照条件下，光纤衰耗小于或等于1.5dB/100m，很好的满足核电站的核反应区域高温抗辐照要求，可用于搭建核反应区域光信号传感系统，例如光纤测温系统。

附图说明

图1是本发明的光纤结构示意图；

图2是本发明的光纤折射率剖面图；

图3是本发明的深掺氟石英包层和掺氟石英芯层的不同厚度比值下光纤辐照对比图；

图4是常规耐高温单模光纤和常规抗辐射单模光纤辐照对比图；

图5是本发明实施例5的光纤辐照图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为芯层，2为深掺氟包层，3为石英包层，4为涂层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

我们分析了核反应环境引起光纤衰老的因素，其中包括两个重要的因素：大剂量的辐射和高温。核反应环境中主要为X射线、微波和带电粒子辐射，并且温度极高，因此在核电站的核反应区域，现有的抗辐射光纤，只能在小于10kGy的低辐射剂量环境中使用，在辐照总剂量达到100kGy时，光纤已失效，同时现有的抗辐射光纤应用环境是航空航天等领域，温度条件和核反应环境的温度条件也相差较大。而核电反应区使用的传感光纤的工作环境，其温度超过300℃，且辐照剂量大，普通传感光纤寿命急剧缩短，无法正常工作。

现有的抗辐射光纤或耐高温光纤均无法在核反应环境中250kGy的超高辐射剂量辐照和500℃高温下使用，不能作为核反应区传感光纤。现有技术的光纤在辐照和高温环境下会迅速失效，寿命很短；然而光纤需要具备耐高温、抗辐射、机械性能好、寿命长的基本要求。

如图1所示，本发明提供一种单模光纤，由内而外包括芯层、内包层、外包层和涂层；

所述芯层为掺氟石英，其直径D1为8～11μm，相对折射率Δ1％为-0.2％～-0.4％；优选直径D1为9～10.5μm，相对折射率Δ1％为-0.3％～-0.35％。

所述内包层为深掺氟石英，其直径D2为56～88μm，相对折射率Δ2％为-0.55％～-0.75％；优选直径D2为70～84μm，相对折射率Δ2％为-0.65％～-0.70％。

一般来说氟含量的增加，石英玻璃里面三元环与四元环缺陷浓度将随之下降，越有利于抗辐射作用。然而考虑到光纤作为传感光纤的传输性能和机械性能，氟的掺杂量不可能无限的提高，传输性能包括截止波长、模场直径、本征衰耗、零色散波长和零色散斜率，机械性能包括抗拉强度M值、应力腐蚀敏感性参数ND、筛选强度等。我们发现配合适当的掺氟深度，当深掺氟石英包层和掺氟石英芯层的厚度在合适的比例范围时，机械性能能满足寿命要求，且抗辐射性能能耐受核反应区域周围环境的超高辐射剂量。

所述深掺氟石英包层直径D2与芯层直径D1比值范围为[7,8]，此比值是在光纤耐辐照性能和光纤强度中间取平衡；对于单模光纤，能量信号大部分在芯层传输，也有部分信号在相邻包层传输，随着在芯层和内包层氟含量的增加，可以减少石英玻璃里面三元环与四元环缺陷浓度，有利于提高光纤抗辐照效果；如图3所示实验结果，当深掺氟石英包层宽度D2/D1大于8时，光纤抗辐照性能不再提高；而石英玻璃中掺杂量越大，光纤强度和寿命会降低，因此[7,8]是本发明的平衡数值。深掺氟石英包层的相对折射率Δ2％为-0.55％～-0.75％确定后，通过调整芯层相对折射率Δ1％和芯层直径D1来控制光纤的波导结构，保证光纤的截止波长、模长直径、本征衰耗、零色散波长和零色散斜率。

所述外包层为纯石英，其直径D3为123～127μm；

所述涂层为聚酰亚胺(PI)涂料，其直径D4为150～160μm；

所述聚酰亚胺涂料，其玻璃化转变温度大于600℃，粘度为1200～1400mPa.s，拉伸强度大于200Mpa，断裂伸长率大于70％，热膨胀系数小于35ppm/℃，2.5％应变模量为3.0～3.5Gpa，热固化时间小于60s。实验显示，在核反应环境下，光纤的耐高温材料涂层容易剥落，本发明一方面采用与深掺氟石英热膨胀系数匹配的聚酰亚胺涂层，另一方面在深掺氟玻璃外增加纯石英玻璃的外包层，配合聚酰亚胺涂料的转化温度、粘度参数优化，提高涂层和光纤之间的结合能力，降低在核反应环境下涂层剥落导致光纤失效的概率。结合涂层材料和纯石英外包层提高光纤的机械性能，避免玻璃部分在辐照环境下出现裂纹扩展、光纤发脆导致光纤寿命短。

所述芯层和包层相对折射率剖面结构均为阶跃型波导结构；所述相对折射率为各芯、包层相对纯二氧化硅的折射率差。

所述单模光纤的筛选强度大于或等于100kpsi。

所述单模光纤在高温环境中附加衰耗较小，经过实验发现，本发明提供的光纤具有超强抗辐射和耐高温性能，该光纤在超强辐射剂量的辐照和高温下的附加衰耗较小。在核反应环境中，750Gy/h剂量率和250kGy超强总剂量辐照后，在500℃高温下附加衰耗小于或等于1.5dB/100m。

如图4所示，在模拟的核反应环境中，温度为500℃，辐照剂量率为750Gy/h，辐照总剂量为250kGy，现有的常规耐高温光纤25小时后光纤直接失效，现有常规抗辐射光纤在1.5小时后光纤直接失效。

所述单模光纤的应用，可用于搭建核反应区域光信号传感系统，例如光纤测温系统。

以下为实施例：

如图1所示，本发明提供的一种单模光纤，包括有芯层1、内包层2、外包层3和涂层4；所述芯层1直径为D1，相对折射率差为Δ1％；所述内包层2直径为D2，相对折射率差为Δ2％；所述外包层3直径为D3，所述涂层4直径为D4，D4与D3之间差值D4-D3为30.0～40.0μm；所述芯层1为掺氟石英，所述内包层2为深掺氟石英，所述外包层3为纯石英，所述涂层4为聚酰亚胺涂料；所述光纤承受温度大于等于-60℃小于等于500℃，筛选强度为100kpsi，使用寿命为30年。如图2所示，所述芯层和包层的折射率剖面结构均为阶跃型剖面结构。如表2所示，实施例1至实施例5，为不同参数下的单模光纤的性能；如图5所示，本发明实施例5的单模光纤在优选参数下的抗辐射衰耗小于1.023dB/100m。

本发明实施例所用的聚酰亚胺(PI)涂料参数见表1所示；

本发明实施例抗辐射耐500℃高温光纤参数见表2所示。

表1

聚酰亚胺涂料参数	实施例1～5
		玻璃化转变温度℃	630
粘度mPa.s	1327
		断裂伸长率％	73
热膨胀系数ppm/℃	29
		2.5％应变模量Gpa	3.07
热固化时间s	30

表2

测试显示，本发明实施例中提供的光纤，在核反应环境下的使用寿命，均达到抗拉强度M50％≥4.0Gpa，应力腐蚀敏感性参数ND≥18，筛选强度≥100kpsi的指标要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单模光纤，其特征在于，由内而外包括芯层、内包层、以及涂层，所述芯层为掺氟石英，所述内包层为深掺氟石英，所述涂层为聚酰亚胺涂料。

2.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述芯层相对折射率Δ1％为-0.2％～-0.4％，所述内包层相对折射率Δ2％为-0.55％～-0.75％。

3.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述内包层直径D2与芯层直径D1比值范围为[7,8]。

4.如权利要求2或3所述的单模光纤，其特征在于，所述芯层直径D1为8～11μm，优选直径D1为9～10.5μm；相对折射率Δ1％为-0.3％～-0.35％。

5.如权利要求2或3所述的单模光纤，其特征在于，所述内包层直径D2为56～88μm，优选直径D2为70～84μm；相对折射率Δ2％为-0.65％～-0.70％。

6.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述涂层直径D4为150～160μm；所述聚酰亚胺涂料，其玻璃化转变温度大于600℃，粘度为1200～1400mPa.s，拉伸强度大于200Mpa，断裂伸长率大于70％，热膨胀系数小于35ppm/℃，2.5％应变模量为3.0～3.5Gpa，热固化时间小于60s。

7.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述内包层外包覆有纯石英外包层，其直径D3为123～127μm。

8.如权利要求1所述的单模光纤，其特征在于，所述芯层和包层相对折射率剖面结构均为阶跃型波导结构；所述相对折射率为各芯、包层相对纯二氧化硅的折射率差。

9.如权利要求1至8任意一项所述的单模光纤的应用，其特征在于，应用于搭建核电站的核反应区域光信号传感系统。

10.如权利要求9所述的单模光纤的应用，其特征在于，应用于搭建核反应区域光纤传感测温系统。