CN113156577B - 一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，由内之外依次包括纤芯、第一包层、第二包层、第三包层，所述纤芯、第一包层、第二包层、第三包层同心且外径依次增大，折射率依次降低。其优点在于，本发明将发光物质与传输介质分离，利用第一包层作为发光介质，并横截面采用多边形等特殊形状使得闪烁光高效率耦合到纤芯中，使得传输距离大大增加。解决了目前闪烁光纤光产额低和传输损耗大的问题。

Description

一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤

技术领域

本发明涉及光纤结构设计领域，特别涉及到一种通过熔芯法拉制的多包层闪烁晶体衍生光纤光波导结构设计。

背景技术

闪烁体是一种被电离辐射激发时具有闪烁特性的材料。发光材料在被入射粒子撞击时会吸收其能量并闪烁（即以光的形式重新发射吸收的能量）。有时，激发态是亚稳态的，因此弛豫从激发态回落 延迟到较低的状态（根据材料的不同，从几纳秒到几小时不等）：然后该过程对应于两种现象之一，这取决于跃迁的类型以及所发射的光子的波长：延迟的荧光或磷光。闪烁体可以用于粒子探测器，新能源勘探，X射线安全，核照相机，计算机断层扫描和天然气勘探。 闪烁体的其他应用包括医学诊断中的CT扫描仪和伽马相机，以及老式CRT计算机显示器和电视机中的屏幕。闪烁体与光电倍增管的结合使用在手持式测量仪中得到了广泛的应用，该测量仪用于检测和测量放射性污染以及监测核材料。闪烁体在荧光灯管中产生光，以将放电的紫外线转换为可见光。 闪烁检测器在石油工业中也用作伽玛射线测井仪的检测器。

与传统的块状闪烁晶体材料相比，闪烁光纤具有能在恶劣环境下工作，体积小，重量轻，实现远距离传输，抗电磁干扰等优点。目前，闪烁光纤主要包含四种类型：塑料光纤、石英闪烁光纤、晶体光纤和熔芯法拉制的晶体衍生光纤。其中塑料光纤，其用于放射疗法的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光纤已初步实现商业应用，但仍然存在塑料光纤受到本身材料受限，具有辐射吸收受限、易老化、无法在高温环境中应用等缺点；而石英闪烁光纤虽然抗辐射能力强、且能在高温下使用，但是其光产额较低，也难以得到广泛应用；晶体光纤则无法进行百米量级以上的拉制，其无法进行大规模铺设。

发明内容

为解决上述各种闪烁光纤的缺点，目前市场上急需一种受环境影响小、传输损耗小、产光能力强、可大范围铺设的闪烁光纤。针对现在这一方面的空缺，本发明提供一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤设计。该光纤将发光物质与传输介质分离，实现高光产额，低传输损耗，物理性能优越，寿命长等特点。本发明荧光产生区可以更换多种晶体材料，搭配不同种类的玻璃管，即可实现对不同参数要求的闪烁光纤。其技术方案为，

一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，由内之外依次包括纤芯、第一包层、第二包层、第三包层，所述纤芯、第一包层、第二包层、第三包层同心且外径依次增大，折射率依次降低。

优选的，所述第一包层与高能射线作用产生荧光，荧光在第一包层内全反射多模传输，其中部分荧光进入纤芯中单模低损耗传输，另一部分泄漏到第二包层以多模传输。

优选的，多组所述纤芯和第一包层组合后包裹在第二包层中形成多芯光纤。

优选的，所述纤芯为采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为卤素化合物闪烁晶体，所述第二包层采用掺氟石英玻璃管。

优选的，所述纤芯采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为稀土离子掺杂闪烁晶体，所述第二包层采用纯石英玻璃管。

优选的，所述纤芯为采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为纯闪烁晶体，所述第二包层采用掺氟石英玻璃管。

优选的，所述第一包层为多边形结构。

一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤制备方法为，

步骤一、将第一包层包裹在纤芯外，第二包层包裹在第一包层外，制成拉制光纤所需预制棒结构；

步骤二、设置温度使其达到第一包层的转化点温度之上，将预制棒进行拉伸，

步骤三、降低温度到第一包层熔点之上50℃，并把光纤固定在牵引轮上，稳定丝径；

步骤四、把制备好的光纤加热到合适温度，缓慢退火，将第三包层涂敷到光纤上。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）本发明采用增大了闪烁光纤中闪烁发光部分的体积，确保了光产量，与其他闪烁光纤中纤芯既是发光本体又是传输介质不同，本发明将发光物质与传输介质分离，利用第一包层作为发光介质，其横截面采用多边形等特殊形状使得闪烁光高效率耦合到纤芯中，使得传输距离大大增加，解决了目前闪烁光纤光产额低和传输损耗大的问题。

2）整体材料采用玻璃和晶体，其抗辐照能力强，寿命长，能在恶劣环境中正常工作。且其制作简单，采用标准拉丝塔，即可进行生产，光纤直径可在20μm-500μm之间选择，且拉制长度可达几十公里。解决了目前单晶闪烁光纤长度短，直径粗等问题，加上多芯光纤的设计，使得不同直径的三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤可应用于成像或长距离分布式传感等领域。

附图说明

图 1为光纤预制棒横截面示意图；

图 2为光纤预制棒纵截面示意图；

图 3为光纤横截面示意图；

图 4为多芯光纤预制棒横截面示意图；

1、纤芯，2,第一包层；3、第二包层；4、第三包层。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，由内之外依次包括纤芯1、第一包层2、第二包层3、第三包层4，所述纤芯1、第一包层2、第二包层3、第三包层4同心且外径依次增大，折射率依次降低。所述第一包层横截面采用八边形等特殊形状使得闪烁光高效率耦合到纤芯中，使得传输距离大大增加，解决了目前闪烁光纤光产额低和传输损耗大的问题。

所述第一包层2为闪烁晶体，所述闪烁晶体与高能射线作用产生荧光，荧光在第一包层2内全反射多模传输，其中部分荧光进入纤芯1中单模低损耗传输，另一部分泄漏到第二包层2以多模传输，第三包层材料为低折射率玻璃或低折射率树脂等能起到保护作用的低折射率材料。

多组所述纤芯1和第一包层2组合后包裹在第二包层3中形成多芯光纤，如图4所示。

所述纤芯为采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为卤素化合物闪烁晶体，所述第二包层采用掺氟石英玻璃管；或所述纤芯采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为稀土离子掺杂闪烁晶体，所述第二包层采用纯石英玻璃管；或所述纤芯为采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为纯闪烁晶体，所述第二包层采用掺氟石英玻璃管。

实施例1

一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将第一包层包裹在纤芯外，第二包层包裹在第一包层外，制成拉制光纤所需预制棒结构；

其中，纤芯采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，稀土元素的掺杂显著提高了石英玻璃大的折射率，使得折射率提高到1.803。第一包层2的晶体材料为卤素化合物闪烁晶体，例如碘化钠（NaI(Tl)），碘化铯（CsI(Tl)）等，其熔点在900℃左右，具有高光产量和快衰减时间。其横截面形状为八边形，中心为圆形孔洞，方便插入纤芯。第二包层3采用掺氟石英玻璃管，其中氟的掺杂量会改变其软化温度，可以根据不同晶体材料的熔点来选择与之适应的掺氟管，从而达到最佳的拉制效果，并且其内边形状为八边形，使得光可以更好的耦合进纤芯中，从而增加传输距离。

将预制件如图2组合好，并把光纤预制棒安装在三爪卡盘上，调整好垂直度，并把负压套管卡在预制棒上端，调成轻微负压。下降预制棒位置，使预制棒底端处于加热区下5mm的位置。

步骤二、设置温度使其达到第一包层的转化点温度之上(低温炉升温到1000度)，稳定温度，经过10分钟后，用玻璃棒从炉体下端伸入把底端水滴状玻璃下拉。

步骤三、降低温度到第一包层熔点之上50℃，并把光纤固定在牵引轮上，稳定丝径；丝径稳定后，固定在舞蹈器上，收线。此时，拉制好的光纤还没有光纤第三包层；

步骤四、把制备好的光纤放在马弗炉中，加热到合适温度，并以65℃/h的速度缓慢退火24h，可以在离线涂敷机上涂敷上光纤第三包层。光纤第三包层（低折射率材料保护层）7选用低折射率UV固化胶，折射率为1.40，固化速度为0.10/cm²。收集向外散射的光。

实施例2

一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将第一包层包裹在纤芯外，第二包层包裹在第一包层外，制成拉制光纤所需预制棒结构；

纤芯1采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，稀土元素的掺杂显著提高了石英玻璃大的折射率，使得折射率提高到1.803。第一包层2的晶体材料为Ce^3＋、Pr^3＋、Eu^2＋稀土离子掺杂晶体，例如Ce:YAG、Ce:GAGG等。其熔点在1950℃左右，具有高光产量和高抗辐照能力。其横截面形状为八边形，中心为圆形孔洞，方便插入高折射率玻璃。第二包层3采用纯石英玻璃管，其内边形状为八边形，使得光可以更好的耦合进纤芯中，从而增加传输距离。

将预制件如图2组合好，并把光纤预制棒安装在三爪卡盘上，调整好垂直度，并把负压套管卡在预制棒上端，调成轻微负压。下降预制棒位置，使预制棒底端处于加热区下5mm的位置。

步骤二、设置温度使其达到第一包层的转化点温度之上(低温炉升温到2100度)，稳定温度，经过10分钟后，用玻璃棒从炉体下端伸入把底端水滴状玻璃下拉。

步骤三、降低温度到第一包层熔点之上50℃，并把光纤固定在牵引轮上，稳定丝径；丝径稳定后，固定在舞蹈器上，收线。此时，拉制好的光纤还没有光纤第三包层；

步骤四、把制备好的光纤放在马弗炉中，加热到合适温度，并以65℃/h的速度缓慢退火24h，可以在离线涂敷机上涂敷上光纤第三包层。

光纤第三包层（低折射率材料保护层）选用低折射率UV固化胶，折射率为1.40，固化速度为0.10/cm²，收集向外散射的光。

实施例3

一种新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将第一包层包裹在纤芯外，多组第一包层和纤芯组合后包裹与第二包层中，制成拉制光纤所需预制棒，使得其呈现为多芯光纤预制棒。

其中，纤芯1采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，稀土元素的掺杂显著提高了石英玻璃大的折射率，使得折射率提高到1.803。第一包层2的晶体材料为纯闪烁晶体，例如锗酸铋（BGO），钨酸镉（CWO），氟化钡（BaF2）等，其熔点在1500℃左右，具有高光产量和快衰减时间。其横截面形状为八边形，中心为圆形孔洞，方便插入高折射率玻璃。第二包层3采用掺氟石英玻璃管，其中氟的掺杂量会改变其软化温度，可以根据不同晶体材料的熔点来选择与之适应的掺氟管，从而达到最佳的拉制效果，并且其内边形状为八边形，使得光可以更好的耦合进纤芯中，从而增加传输距离。

将预制件如图2组合好，并把光纤预制棒安装在三爪卡盘上，调整好垂直度，并把负压套管卡在预制棒上端，调成轻微负压。下降预制棒位置，使预制棒底端处于加热区下5mm的位置。

步骤二、设置温度使其达到第一包层的转化点温度之上(低温炉升温到1600度)，稳定温度，经过10分钟后，用玻璃棒从炉体下端伸入把底端水滴状玻璃下拉。

步骤三、降低温度到第一包层熔点之上50℃，并把光纤固定在牵引轮上，稳定丝径；丝径稳定后，固定在舞蹈器上，收线。此时，拉制好的光纤还没有光纤第三包层；

步骤四、把制备好的光纤放在马弗炉中，加热到合适温度，并以65℃/h的速度缓慢退火24h，可以在离线涂敷机上涂敷上光纤第三包层。

光纤第三包层（低折射率材料保护层）选用低折射率UV固化胶，折射率为1.40，固化速度为0.10/cm²，收集向外散射的光。

最终拉制成新型三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，实现三包层远距离传输纯晶体衍生光纤，可以用来进行核医学成像，PET，CT，SPECT，高能物理和太空探测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，其特征在于，由内之外依次包括纤芯、第一包层、第二包层、第三包层，所述纤芯、第一包层、第二包层、第三包层同心且外径依次增大，折射率依次降低；

所述纤芯为采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为卤素化合物闪烁晶体，所述第二包层采用掺氟石英玻璃管；或

所述纤芯采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为稀土离子掺杂闪烁晶体，所述第二包层采用纯石英玻璃管；或

所述纤芯为采用高掺镧系元素的石英玻璃组成，所述第一包层为纯闪烁晶体，所述第二包层采用掺氟石英玻璃管；

所述第一包层为多边形结构。

2.根据权利要求1所述的一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，其特征在于，所述第一包层与高能射线作用产生荧光，荧光在第一包层内全反射多模传输，其中部分荧光进入纤芯中单模低损耗传输，另一部分泄漏到第二包层以多模传输。

3.根据权利要求1所述的一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，其特征在于，多组所述纤芯和第一包层组合后包裹在第二包层中形成多芯光纤。

4.根据权利要求1所述的一种三包层远距离传输闪烁晶体衍生光纤，其特征在于，其制备方法为，

步骤一、将第一包层包裹在纤芯外，第二包层包裹在第一包层外，制成拉制光纤所需预制棒结构；

步骤二、设置温度使其达到第一包层的转化点温度之上，将预制棒进行拉伸；

步骤三、降低温度到第一包层熔点之上50℃，并把光纤固定在牵引轮上，稳定丝径；

步骤四、把制备好的光纤加热到合适温度，缓慢退火，将第三包层涂敷到光纤上。

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