FR3014866A1

FR3014866A1 - Procede de fabrication d'une fibre optique traitee pour capteur de temperature resistant aux radiations

Info

Publication number: FR3014866A1
Application number: FR1362691A
Authority: FR
Inventors: Jocelyn Perisse; Adriana Morana; Emmanuel Marin; Jean-Reynald Mace; Sylvain Girard
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Jean Monnet Saint Etienne; Areva SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Jean Monnet Saint Etienne; Areva SA
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-19
Also published as: US20160320558A1; EP3084489A1; CN106062598A; JP2017507345A; WO2015091502A1

Abstract

Procédé (110) de fabrication d'une fibre optique traitée (5) pour capteur de température, comprenant au moins les étapes suivantes : a) obtention (120) d'une fibre optique (125), b) inscription (130) à l'aide d'un laser femtoseconde d'au moins un réseau de Bragg dans la fibre optique pour obtenir une fibre inscrite (135), le réseau de Bragg s'étendant longitudinalement dans une portion de la fibre inscrite et étant adapté pour réfléchir des ondes lumineuses se propageant le long de la fibre optique inscrite, le laser ayant une puissance supérieure ou égale à 450 mW, et c) recuit (140) d'au moins la portion de fibre inscrite pour obtenir la fibre optique traitée. Utilisation d'une telle fibre optique traitée dans un capteur de température.

Description

Procédé de fabrication d'une fibre optique traitée pour capteur de température résistant aux radiations La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une fibre optique traitée pour capteur de température, dans lequel au moins un réseau de Bragg est inscrit dans la fibre à l'aide d'un laser, le réseau de Bragg s'étendant longitudinalement dans une portion de la fibre et étant adapté pour réfléchir des ondes lumineuses se propageant le long de la fibre optique inscrite. L'invention concerne aussi l'utilisation d'une telle fibre optique traitée dans un capteur de température.

Il est connu d'utiliser des fibres optiques comportant un réseau de Bragg (ou FBG en anglais, pour Fiber Bragg Grating) pour mesurer une température. Le réseau de Bragg est constitué par une perturbation périodique de l'indice de réfraction du coeur de la fibre le long de l'axe de la fibre. La lumière se propageant dans le coeur de la fibre de spectre large bande est réfléchie par le réseau autour d'une certaine longueur d'onde, dite « longueur d'onde de Bragg », qui est fonction du pas du réseau. La longueur d'onde de Bragg varie en fonction de la température à laquelle se trouve le réseau de Bragg, avec une sensibilité de par exemple 10 pm/°C environ. Les capteurs à fibre optique à réseau de Bragg ne nécessitent pas d'alimentation locale en énergie, sont insensibles aux perturbations électromagnétiques. Ils autorisent un déport sur de grandes distances entre un point de mesure et un point de traitement de la mesure, ainsi que le multiplexage d'un grand nombre de points de mesure sur une même fibre. Ils sont en outre peu intrusifs, et présentent une dérive intrinsèque nulle. Toutefois, malgré ces propriétés intéressantes, les capteurs à fibre optique de l'état de la technique montrent leurs limites dans des environnements sévères en températures et en radiations. Pour des températures élevées, par exemple supérieures à 300°C, et pour des doses de rayonnement allant au-delà de quelques dizaines de kGy (kilogray), il se produit une perte progressive de la mesure par effacement du réseau de Bragg, et/ou un décalage de la longueur d'onde de Bragg induisant une dérive de la mesure, et/ou une perte de transmission de la fibre optique.

Un but de l'invention est donc de fournir un procédé de fabrication d'une fibre optique traitée pour capteur de température, la fibre étant capable de résister à des températures plus hautes et à des doses de rayonnement plus fortes. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une fibre optique traitée pour capteur de température, comprenant au moins les étapes suivantes : a) obtention d'une fibre optique, b) inscription à l'aide d'un laser femtoseconde d'au moins un réseau de Bragg dans la fibre optique pour obtenir une fibre inscrite, le réseau de Bragg s'étendant longitudinalement dans une portion de la fibre inscrite et étant adapté pour réfléchir des ondes lumineuses se propageant le long de la fibre optique inscrite, le laser ayant une puissance supérieure ou égale à 450 mW, et c) recuit d'au moins la portion de fibre inscrite pour obtenir la fibre optique traitée. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'étape b) d'inscription à l'aide du laser présente une durée supérieure ou égale à 30 secondes ; - à l'étape a), la fibre optique obtenue est une fibre monomode ; - à l'étape a), la fibre optique obtenue est une fibre optique à coeur de silice pure ou dopée par un ou plusieurs élément(s) pris parmi le fluor et l'azote ; - à l'étape b), le laser émet des impulsions, chaque impulsion présentant une largeur inférieure ou égale à 150 femtosecondes ; - à l'étape a), la fibre optique obtenue comporte un coeur d'un diamètre compris entre 2 micromètres et 20 micromètres ; - à l'étape b), durant l'inscription, la fibre optique est mise en tension par un poids de 4 grammes à 300 grammes fixé sur la fibre optique ; - pendant l'étape c) de recuit, la fibre inscrite est portée à une température de recuit supérieure ou égale à 500°C, pendant au moins 15 minutes ; - le procédé comprend en outre une étape de détermination d'une température maximale d'utilisation de la fibre optique traitée en tant que composant d'un capteur de température, et pendant l'étape c) de recuit (140), la fibre inscrite (135) est portée à une température de recuit, la différence entre la température de recuit et la température maximale d'utilisation étant comprise entre 100°C et 200°C. L'invention concerne aussi une utilisation d'au moins une fibre optique traitée obtenue par un procédé tel que décrit ci-dessus dans un capteur de température.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un capteur de température selon l'invention, comportant une fibre optique traitée obtenue par un procédé selon l'invention, - la figure 2 est un graphique illustrant l'évolution de la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg de la fibre optique traitée représentée sur la figure 1 en fonction de l'évolution de la température à laquelle est soumis le réseau de Bragg, - la figure 3 est un diagramme montrant les étapes principales d'un procédé selon l'invention adapté pour fabriquer la fibre optique traitée représentée sur la figure 1, - la figure 4 est un graphique illustrant l'effet de différentes températures de recuit sur le pic de Bragg du réseau de Bragg d'une fibre optique analogue à celle représentée sur la figure 1, - la figure 5 est un graphique illustrant un décalage de la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg d'une fibre optique analogue à celle représentée sur la figure 1 pendant deux phases successives d'irradiation, - la figure 6 est un graphique illustrant l'effet de l'étape de recuit du traitement illustré sur la figure 3 sur l'amplitude du pic de Bragg d'un réseau dans d'une fibre optique de référence obtenue par un procédé différent de celui de l'invention, et - la figure 7 est un graphique illustrant l'effet de deux irradiations successives sur une fibre obtenue par un procédé analogue à celui selon l'invention, mais dont la température de recuit diffère de celle de l'invention. En référence à la figure 1, on décrit un capteur de température 1 selon l'invention. Le capteur de température 1 comprend une fibre optique traitée 5.

Le capteur de température 1 est par exemple destiné à être placé dans un réacteur nucléaire (non représenté). Par exemple le capteur 1 sert à mesurer la température d'un fluide caloporteur, comme l'eau du circuit primaire de refroidissement d'un réacteur à eau pressurisée, ou le sodium liquide d'un réacteur à neutrons rapides, ou encore une installation de fabrication ou de stockage de déchets nucléaires à haute activité. Par simplicité, seule une portion 10 de la fibre optique traitée 5 s'étendant selon un axe D est représentée sur la figure 1. La fibre optique traitée 5 comprend un coeur 15, une partie périphérique 20, parfois appelée gaine optique, enveloppant le coeur 15 autour de l'axe D, et un réseau de Bragg 25 situé dans le coeur 15. En variante (non représentée), la fibre optique traitée 5 comprend plusieurs réseaux de Bragg analogues au réseau de Bragg 25. La fibre optique traitée 5 est par exemple une fibre de silice pure ou une fibre dopée, par exemple par du fluor et/ou de l'azote. La fibre optique traitée 5 est monomode à la longueur d'onde de Bragg du réseau de Bragg 25.

Par « dopé par un élément », on entend que le coeur ou la gaine de la fibre dopée comprennent au moins 10 ppm de cet élément. Le coeur 15 présente un diamètre DC par exemple compris entre 2 lm et 20 lm. Le réseau de Bragg 25 comprend une alternance de portions 27 et de portions 29 selon l'axe D, les portions 29 ayant par exemple un indice de réfraction plus élevé que l'indice de réfraction des portions 27. Par simplicité, seulement deux portions 27 et deux portions 29 ont été représentées sur la figure 1. Comme visible sur la figure 1, pour faire fonctionner le réseau de Bragg 25 de la fibre optique traitée 5, un signal lumineux 30 est envoyé dans la fibre optique traitée 5. Le signal lumineux 30 comprend par exemple une plage de longueurs d'onde symbolisée par la courbe 35. Le signal lumineux 30 voyage le long de la fibre optique traitée 5 jusqu'au réseau de Bragg 25 qui transmet un signal lumineux transmis 40, et réfléchit un signal lumineux réfléchi 45.

Le signal lumineux réfléchi 45 comporte une plage de longueurs d'onde 50 présentant la forme d'un pic, appelé « pic de Bragg ». Le pic de Bragg est centré sur une longueur d'onde À appelée « longueur d'onde de Bragg » du réseau de Bragg 25. Le signal lumineux transmis 40 comprend une plage de longueurs d'onde 55 correspondant à la plage de longueurs d'onde 35 moins la plage de longueurs d'onde 50.

La figure 2 est un graphique 100 comportant une courbe CO donnant l'évolution de la longueur d'onde de Bragg À, en nanomètre, en fonction de la température T, en degrés Celsius, vue par le réseau de Bragg 25 de la fibre optique traitée 5 représentée sur la figure 1. Ainsi, à partir de la plage de longueurs d'onde 50, il est possible de déterminer la longueur d'onde de Bragg À (figure 1), puis de déterminer la température T à l'aide de la courbe CO (figure 2). La sensibilité est d'environ 10 pm/°C. En référence à la figure 3, un procédé 110 selon l'invention va maintenant être décrit. Le procédé 110 permet de fabriquer la fibre optique traitée 5 représentée sur la figure 1, adaptée pour le capteur de température 1. Le procédé 110 comprend une étape 120 d'obtention d'une fibre optique 125, une étape 130 d'inscription d'un réseau de Bragg dans la fibre optique 125 pour obtenir une fibre inscrite 135 comportant le réseau de Bragg 25, et une étape 140 de recuit d'au moins une portion de la fibre inscrite 135, pour obtenir la fibre optique traitée 5.

En variante, à l'étape 130, plusieurs réseaux de Bragg sont inscrits dans la fibre optique 125.

A l'étape 120, la fibre optique 125 obtenue est par exemple une fibre monomode, de silice pure ou avantageusement dopée par un ou plusieurs éléments pris parmi le fluor et/ou l'azote. Optionnellement, le procédé 110 comprend en outre une étape 150 de détermination d'une température maximale d'utilisation de la fibre optique traitée 5 en tant que composant du capteur de température 1. A l'étape 130, on dénude la portion longitudinale de la fibre 125 obtenue dans laquelle est inscrit le réseau de Bragg 25. L'inscription est réalisée à l'aide d'un laser femtoseconde, par exemple grâce à la technique classique du masque de phase. La focalisation du laser femtoseconde se fait avec une lentille cylindrique de courte focale, par exemple de douze à dix-neuf millimètres. Par « laser femtoseconde », on entend un laser qui produit des impulsions dont la durée est de l'ordre de quelques femtosecondes à quelques centaines de femtosecondes. Le laser a avantageusement une puissance moyenne supérieure ou égale à 450 mW. Le laser émet des impulsions, chaque impulsion présentant une largeur inférieure ou égale à 150 femtosecondes. Le laser a par exemple une longueur d'onde de 800 nm. Durant l'étape 130 d'inscription, la fibre optique 125 est avantageusement mise en tension par un poids de 6 à 8 grammes (non représenté) fixé sur la fibre optique. A l'étape 140, selon un premier mode de réalisation, la fibre inscrite 135 est par exemple portée à une température de recuit supérieure ou égale à 500°C, pendant au moins quinze minutes. Selon un autre mode de réalisation, à l'étape 140, la fibre inscrite 135 est portée à une température de recuit, la différence entre la température de recuit et la température maximale d'utilisation déterminée à l'étape 150 étant comprise entre 100°C et 200°C . Par exemple, la température maximale d'utilisation est 600°C et la température de recuit est 750 °C. En fonction des paramètres d'exposition utilisés (durée des impulsions, puissance du laser femtoseconde), le réseau de Bragg 25 de la fibre optique inscrite 135 est ensuite plus ou moins effacé par l'étape 140 de recuit. Les paramètres d'exposition sont déterminés pour avoir des réseaux de Bragg stables à la température d'utilisation de la fibre optique traitée 5 et présentant des performances intéressantes en termes de tenue aux radiations. Les essais d'irradiation ont montré que la tenue du réseau de Bragg 25 aux radiations augmente avec la température de recuit. Par exemple, lorsque la température de recuit est de 750°C, le réseau de Bragg 25 présente un décalage (BWS) de sa longueur d'onde de Bragg sous irradiation inférieur au décalage obtenu lorsque la température de recuit est de 350°C. En outre, lorsque la température de recuit est de 750°C, aucun phénomène d'effacement du réseau de Bragg 25 n'est observé sous irradiation. La figure 4 est un graphique 200 illustrant l'effet de la température de recuit sur le pic de Bragg. Le graphique 200 comprend quatre courbes C1, C2, C3 et C4. La courbe Cl représente le pic de Bragg du réseau de Bragg 25 en l'absence de l'étape 140 de recuit. Les courbes C2, C3 et C4 représentent respectivement le pic de Bragg du réseau de Bragg 25 obtenu pour des températures de recuit respectivement égales à 300°C, 550°C et 750°C. Le réseau de Bragg est obtenu à partir d'une fibre à coeur de silice dopée par du fluor, inscrite à l'aide d'un laser femtoseconde d'une puissance moyenne de 500 mW et d'une longueur d'onde égale à 800 nm. Chaque courbe Cl à C4 donne l'évolution de l'intensité du signal lumineux réfléchi 45, en décibels, en fonction de la longueur d'onde en nanomètres. Chaque courbe Cl à C4 est analogue à la plage de longueurs d'onde 50 représentée sur la figure 1. On constate que l'élévation progressive de la température de recuit provoque une atténuation du pic de Bragg, ainsi qu'un décalage de la longueur d'onde de Bragg À vers les longueurs d'onde plus courtes La figure 5 est un graphique 300 illustrant la tenue aux radiations du réseau de Bragg 25 d'une fibre optique traitée 5 obtenue par le même procédé que pour le graphique 200, avec une température de recuit de 750°C. Le graphique 300 comprend une courbe C5 illustrant l'évolution, en fonction du temps t en secondes, d'une part du décalage 3.À de la longueur d'onde de Bragg en nanomètres, et d'autre part de l'erreur ET, en degré Celsius, commise sur la température mesurée. Le décalage 0À se lit sur l'axe des ordonnées de gauche du graphique 300, tandis que l'erreur ET se lit sur l'axe des ordonnées de droite du graphique 300. Pendant une première phase A, d'une durée d'environ 30 000 secondes, le réseau de Bragg 25 de la fibre optique traitée 5 est irradié à débit de dose constant. La dose reçue à la fin de la première phase A est de 1,5 MGy (mégagray). Dans une deuxième phase B d'une durée d'environ 60 000 secondes, l'irradiation du réseau de Bragg 25 est arrêtée. Dans une troisième phase C d'une durée d'environ 30 000 secondes à nouveau, le réseau de Bragg 25 est irradié dans les mêmes conditions que dans la première phase A, c'est-à-dire qu'il reçoit à nouveau une dose égale à 1,5 MGy.

Dans la première phase A, la longueur d'onde de Bragg commence par décroître de quatre pm (picomètres), puis remonte d'environ douze pm progressivement pendant la première phase A. Cette dérive de la longueur d'onde de Bragg correspond à une erreur ET1 (figure 5) sur la température mesurée par le capteur 1 d'environ 0,4°C.

Lors de la deuxième phase B, la longueur d'onde de Bragg diminue brutalement pour se stabiliser à environ douze pm sous la valeur initiale. Durant la troisième phase C, la longueur d'onde de Bragg remonte brutalement sensiblement à la valeur qu'elle avait à la fin de la première phase A et reste relativement stable pendant toute la troisième phase C. La dérive de la longueur d'onde de Bragg pendant la troisième phase C correspond à une erreur ET2 sur la température mesurée de l'ordre de 0,4°C. Ainsi, on constate que le réseau de Bragg 25 de la fibre optique traitée 5 présente une très bonne tenue aux radiations, même après deux irradiations correspondant à une dose de 3 MGy. Les figures 6 et 7 illustrent le résultat d'études paramétriques menées pour déterminer l'impact du non respect d'une des étapes du procédé 110. La figure 6 est un graphique 400 comportant une courbe C6 illustrant l'effet de la température de recuit T en degré Celsius (en abscisse) sur l'amplitude normalisée AN (en ordonnée) du pic de Bragg du réseau de Bragg 25 lorsque l'étape 130 d'inscription a été réalisée à l'aide d'un laser femtoseconde d'une puissance de 400 mW, au lieu de 500 mW comme sur la figure 4. La courbe C6 comprend un premier point 410 donnant l'amplitude du pic de Bragg en l'absence d'étape de recuit. L'amplitude est alors de 16 dB et correspond au maximum de la courbe Cl sur la figure 4. Cette amplitude de 16 dB est normalisée à 1,0 sur le graphique 400 de la figure 6.

Puis la courbe C6 montre la réduction progressive de l'amplitude normalisée AN du pic de Bragg lorsque la température de recuit T est respectivement de 300°C, 550°C et 750°C. On observe que, à 750°C, l'amplitude du pic de Bragg devient quasiment nulle, car le réseau de Bragg 25 est effacé. Au contraire, comme visible sur la figure 4, de manière surprenante, lorsque la puissance du laser est de 500 mW, l'amplitude du pic de Bragg passe de seize décibels en l'absence d'étape de recuit à 8 décibels en présence d'une étape 140 de recuit à une température de recuit de 750°C. Ceci démontre l'existence d'un seuil de puissance du laser, situé à 450 mW, à partir duquel le réseau de Bragg 25 obtenu résiste à un recuit à 750 °C.

La figure 7 représente un graphique 500 analogue au graphique 300 représenté sur la figure 5. Le graphique 500 comporte une courbe C7 illustrant la tenue aux radiations d'un réseau de Bragg 25 obtenu à l'issue d'une étape d'inscription 130, dans laquelle la puissance du laser est de 500 mW, et d'une étape de recuit 140 à une température inférieure à 500°C. Les phases A, B1 et C du graphique 500 sont analogues aux phases A, B et C du graphique 300. Le graphique 500 comporte une phase supplémentaire B2 correspondant à un arrêt de l'irradiation après la phase C. Comme on peut le constater sur le graphique 500, la longueur d'onde de Bragg À du réseau de Bragg 25 est beaucoup plus sensible aux deux phases d'irradiation A et C que dans les conditions du graphique 300 de la figure 5. En particulier, à la fin de la troisième phase C correspondant à une deuxième irradiation, le décalage de la longueur d'onde de Bragg dû à l'irradiation est de -60 pm. Ceci correspond à une erreur ET3 sur la température mesurée égale à environ 4,5°C. Grâce aux caractéristiques décrites, le procédé 110 de fabrication permet d'obtenir une fibre optique traitée 5 comportant un réseau de Bragg 25 capable de mieux résister à des doses de rayonnement supérieures à 1 MGy, et donc de résister à des doses de rayonnement plus fortes que les fibres optiques de l'état de la technique. En outre, la caractéristique optionnelle selon laquelle la fibre inscrite 135 est portée à une température de recuit supérieure ou égale à 500°C pendant au moins quinze minutes permet d'obtenir un réseau de Bragg 25 capable de supporter ultérieurement une température d'utilisation allant jusqu'à environ 550°C. De même, la caractéristique optionnelle selon laquelle, pendant l'étape 140 de recuit, la fibre inscrite 135 est portée à une température de recuit, permet d'obtenir un réseau de Bragg 25 capable de résister à une température d'utilisation égale à la température de recuit moins une valeur comprise entre 100°C et 200°C.30

Claims

REVENDICATIONS1.- Procédé (110) de fabrication d'une fibre optique traitée (5) pour capteur de température (1), caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes : a) obtention (120) d'une fibre optique (125), b) inscription (130) à l'aide d'un laser femtoseconde d'au moins un réseau de Bragg (25) dans la fibre optique (125) pour obtenir une fibre inscrite (135), le réseau de Bragg (25) s'étendant longitudinalement dans une portion de la fibre inscrite (135) et étant adapté pour réfléchir des ondes lumineuses (30) se propageant le long de la fibre optique inscrite (135), le laser ayant une puissance supérieure ou égale à 450 mW, et c) recuit (140) d'au moins la portion de fibre inscrite (135) pour obtenir la fibre optique traitée (5).
2.- Procédé (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape b) d'inscription (130) à l'aide du laser présente une durée supérieure ou égale à 30 secondes.
3.- Procédé (110) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, à l'étape a), la fibre optique (125) obtenue est une fibre monomode.
4.- Procédé (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à l'étape a), la fibre optique (125) obtenue est une fibre optique de silice pure ou dopée par un ou plusieurs élément(s) pris parmi le fluor et l'azote.
5.- Procédé (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à l'étape b), le laser émet des impulsions, chaque impulsion présentant une largeur inférieure ou égale à 150 femtosecondes.
6.- Procédé (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, à l'étape a), la fibre optique (125) obtenue comporte un coeur (15) d'un diamètre (DC) compris entre 2 micromètres et 20 micromètres.
7.- Procédé (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, à l'étape b), durant l'inscription (130), la fibre optique (125) est mise en tension par un poids de 4 grammes à 300 grammes fixé sur la fibre optique (125).
8.- Procédé (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pendant l'étape c) de recuit (140), la fibre inscrite (135) est portée à une température de recuit supérieure ou égale à 500°C, pendant au moins 15 minutes.
9.- Procédé (110) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que :- le procédé (110) comprend en outre une étape (150) de détermination d'une température maximale d'utilisation de la fibre optique traitée (5) en tant que composant d'un capteur de température (1), et - pendant l'étape c) de recuit (140), la fibre inscrite (135) est portée à une température de recuit, la différence entre la température de recuit et la température maximale d'utilisation étant comprise entre 100°C et 200°C.
10.- Utilisation d'au moins une fibre optique traitée (5) obtenue par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un capteur de température (1).10