KR20180100155A - 저온 센싱을 위한 향상된 광섬유 - Google Patents

저온 센싱을 위한 향상된 광섬유 Download PDF

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KR20180100155A
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저스틴 슈와르츠
페데리코 스커티
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노쓰 캐롤라이나 스테이트 유니버시티
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Abstract

저온(예를 들면, 1.8K 내지 77K 이하)에서 온도 및/또는 변형율을 센싱하기 위한 광섬유를 향상하기 위한 다양한 예 및 시스템이 제공된다. 분산 센싱을 위한 향상된 광섬유는 코어, 코어를 둘러싼 클래딩, 및 클래딩을 둘러싼 코팅을 포함할 수 있다. 코팅의 열 팽창 계수(CTE)는 실리카의 CTE보다 크고 및/또는 코팅의 영률(E)은 실리카의 E보다 더 크다.

Description

저온 센싱을 위한 향상된 광섬유
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 1월 8일에 출원된 일련번호 62/276,511를 갖는 "저온 센싱을 위한 향상된 광섬유"란 제목의 공동 계류중인 미국 가출원에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함되어 있다.
광섬유 센서는 수많은 과학 및 엔지니어링 분야에서의 다수의 센싱 필요성을 충족하고 있다. 광섬유 센서에 전형적으로 사용되는 복조(interrogation) 기술은 섬유에서의 전파되는 광의 투과 또는 반사와 관련된다. 저온(예를 들면, 1.8 캘빈(K) 내지 77K)에서, 전형적인 광섬유 센서의 감수성은 감소되고, 이에 의해 광섬유 센서는 덜 효과적이게 된다.
요약
본 개시내용의 구현예는 저온(예를 들면, 1.8 캘빈(K) 내지 77K 이하)에서의 변형율 및 온도를 센싱하기 위해 광섬유를 향상시키는 것과 관련된다.
일 구현예에서, 무엇보다도, 분산 센싱(distributed sensing)을 위한 향상된 광섬유는 코어, 상기 코어를 둘러싼 클래딩, 및 상기 클래딩을 둘러싼 코팅을 포함한다. 클래딩은 유리 물질을 포함하고, 하나 이상의 (1) 코팅의 열팽창 계수(CTE)가 실리카의 CTE보다 크거나 또는 (2) 코팅의 영률(E)이 실리카의 E보다 크다.
이러한 구현예의 하나 이상의 양태에서, 향상된 광섬유는 약 1.8 켈빈(K) 내지 약 77K의 작동 온도 범위 내에서 (1) 온도 변화 또는 (2) 변형율(strain) 중 하나 이상을 감지하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 작동 온도 범위는 약 1.8 K 내지 약 30 K이다. 다른 양태에서, 작동 온도 범위는 약 1.8 K 내지 약 5 K이다.
이러한 구현예의 하나 이상의 양태에서, 코팅은 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 코팅은 하기의 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리염화비닐(PVC), 염소화 폴리염화비닐(CPVC), 탄소, 아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 에폭시 수지, 금속, 또는 산화물. 일부 구현예에서, 금속은 하기의 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 은, 은 합금, 금, 금 합금, 아연, 아연 합금, 납, 납 함금, 니켈, 주석, 인듐, 비스무스 또는 이의 합금, 예컨대, 예를 들면, 인듐-비스무스 및 비스무스-주석. 일부 구현예에서, 산화물은 티타니아, 알루미나, 세리아 또는 지르코니아 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 유리 물질은 실리카, 형석 유리(fluorite glass), 또는 인삼염 유리(phosphate glass) 중 하나 이상을 포함한다.
이러한 구현예의 하나 이상의 양태에서, 코어의 직경은 약 4 내지 약 8 μm이다. 이러한 구현예의 하나 이상의 양태에서, 클래딩의 직경은 약 30 내지 약 125 μm이다. 일부 양태에서, 향상된 광섬유는 클래딩과 코팅 사이에 위치한 중간층을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 향상된 광섬유는 레일리 후방산란(Raleigh backscattering) 또는 브래그 격자(Bragg grating) 중 하나 이상을 통해 복조된다.
다른 구현예에서, 무엇보다도, 분산 센싱을 위한 광섬유를 향상시키는 방법은 코팅 부재의 제1 말단에서 오리피스로 광섬유를 삽입하는 단계 및 코팅 부재 내에 포함된 코팅재를 통해 광섬유를 예정된 속도로 코팅 부재의 제2 말단으로 이동시키는 단계를 포함한다. 코팅 부재는 코팅 부재 내에 배치된 코팅재를 포함하고, 코팅재는 액체 형태의 것이다. 코팅재는 (1) 실리카의 CTE보다 큰 열팽창 계수(CTE) 또는 (2) 실리카의 E보다 더 큰 영률(E) 중 하나 이상을 포함한다. 코팅재는 광섬유가 제1 말단으로부터 제2 말단으로 이동됨에 따라 광섬유의 외면에 결합된다.
이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 예정된 속도는 코팅재의 용융점, 오리피스의 크기, 액체 형태로의 코팅재의 온도, 또는 코팅재와 접촉시의 섬유의 온도 중 하나 이상에 대해 적어도 부분적으로 기초한다. 이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 섬유의 온도는 코팅재의 용융점 온도보다 낮다. 이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 본 방법은 추가로 코팅 기기로 광섬유를 삽입하기 이전에 광섬유를 냉각시키는 단계를 포함한다. 이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 오리피스의 크기는 코팅되는 광섬유의 직경 또는 코팅 두께에 대해 적어도 부분적으로 기초한다. 이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 본 방법은 추가로 공급장치 부재를 통해 저장소로부터 코팅 부재로 코팅재를 이송하는 단계를 포함한다. 이러한 구현예 중 하나 이상의 양태에서, 본 방법은 추가로 코팅 부재 내의 코팅재의 액체 수준을 조절하는 단계를 포함하며, 액체 수준은 예정된 속도, 섬유의 온도, 코팅재의 용융점 온도, 오리피스의 크기, 또는 액체 상태의 코팅재의 온도 중 하나 이상에 대해 적어도 부분적으로 기초한다.
본 개시내용의 다른 장치, 시스템, 방법, 특징, 및 장점은 하기 도면 및 상세한 설명의 검토시 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이거나 또는 자명하게 된다. 모든 이러한 추가적인 장치, 시스템, 방법, 특징, 및 장점은 이러한 설명 내에, 본 개시내용의 범위 내에 포함되고, 수반된 특허청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
본 개시내용의 수많은 양태는 하기 도면을 참조하여 잘 이해될 수 있다. 도면에서의 구성요소는 반드시 축적에 의한 것은 아니며, 본 개시내용의 원리를 분명하게 예시하는 것을 대신하여 과장된다. 또한, 도면에서, 유사한 참조 부호는 다수의 관점을 통해 대응되는 부분을 표기한다.
도 1은 전형적인 단일 모드 통신 등급 광섬유의 예의 도면이다.
도 2는 온도의 함수로서의 고정된 열 섭동으로 생성된 스펙트럼 시프트의 도식적 표현의 예를 도시하고 있고, 이는 이러한 온도에서 도 1의 전형적인 광섬유의 민감도를 나타낸다.
도 3은 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 저온에서 센싱이 가능한 향상된 광섬유의 예의 도면이다.
도 4는 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 상이한 코팅재를 갖는 도 3의 광섬유의 열 민감도에 대한 실험 결과의 도식적 표현의 예이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 도 3의 광섬유에 대한 금속-중합체 복합체의 단면의 예이다.
도 6은 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 실리카 클래딩 상에 증착된 주석 코팅을 포함하는 도 3의 광섬유의 단면의 예이다.
도 7, 8, 9, 및 10은 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 광섬유를 향상시키기 위한 코팅 시스템의 개략적 표현의 예이다.
도 10 및 11은 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 도 7, 8, 및 9의 코팅 시스템의 코팅 부재의 개략적 표현의 예이다.
도 12는 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 냉각 스테이지를 가지는 도 7의 코팅 시스템의 개략적 표현의 예이다.
본 개시내용은 저온(예를 들면, 1.8 K 내지 77 K 이하)에서 온도 및 변형율의 센싱을 위한 광섬유를 향상시키는 것과 관련된다. 복조된 레일리 후방산란 또는 브래그 격자에 기초한 광섬유 센서의 열 민감성을 향상시키기 위해, 예를 들면, 광섬유의 코어는 온도 변화시 연신될 수 있고, 이로써 섬유의 결함의 변경이 복조에 의해 포착될 수 있고, 측정된 신호가 발생될 수 있다. 구체적으로, 높은 열팽창 계수(CTE) (즉, 실리카의 CTE보다 더 큼) 및/또는 높은 영률(E)(즉, 실리카의 E보다 더 큼)을 갖는 하나 이상의 물질로 광섬유를 코팅함으로써, 광섬유의 코어는 여전히 연신될 수 있고, 광섬유의 결함 패턴은 여전히 저온에서 포착될 수 있다. 본원에 사용되는 저온은 약 1.8 K 내지 77 K 이하의 범위의 온도로서 정의될 수 있다.
광섬유는 섬유에서 전파되는 광의 투과 또는 반사에 기초하는 복조 기술을 사용하는 센서로서 사용될 수 있다. 복조 기술은 레일리 후방산란, 브래그 격자, 및/또는 임의의 다른 이용가능한 복조 방법을 포함할 수 있다. 브래그 격자에서, 작은 브래그 격자는 섬유의 길이에 따른 하나 이상의 위치에서 내접되어 있다. 격자의 이격은 특징적 반사를 가지고, 이러한 브래그 반사에서의 변화는 격자의 선들 사이에서의 이격에 있어서 변화를 나타낸다. 변형율 또는 온도로 선 이격이 변화됨에 따라, 간단하고, 빠른 포인트-센서가 생성된다. 초전도성 자석의 경우, 그러나, 브래그 격자 방법은 포인트-센서이게 되는 것이 문제되며, 그리하여 종래의 전압 탭에 대한 공간 해상도에서의 개선이 제한된다. 단섬유 상에서 다중 격자를 내접할 수 있는 한편, 상기 방법은 본질적으로 예정된 위치에서의 측정값에 제한된 채로 유지된다.
다른 광학적 복조 기술은 레일리 후방산란을 사용하여 신호를 유도하는 것과 관련된다. 레일리 후방산란의 근본 원리는 광섬유 상의 예정된 위치에서의 내접된 격자 이외에, 섬유 내의 자연 발생된 결함으로부터 산란된 광이 "레일리 후방산란"을 통해 해석되어야 하는 것을 제외하고 브래그 격자의 것과 유사하다. 섬유 길이가 변형율 또는 온도에서의 변화를 통해 변화되는 경우, 이러한 결함은 변경되고, 이에 따라 반사된 신호를 변경한다. 이에 따라, 레일리 후방산란 복조기는 표준의 후방산란된 스펙트럼을 각각의 후속 스펙트럼과 비교하고, 위치 및 시간의 함수인 생성된 "스펙트럼 시프트"는 시간-변화 변형율 또는 온도 분포로 변환한다. 공간 해상도가 유일하게 복조된 광의 파장에 의해 그리고 데이터 수집 및 처리 속도와 관련된 한계값에 의해서만 제한되기 때문에, 레일리 산란으로 복조된 광섬유는 정확한 분산 센서이다. 다른 유형의 복조 기술은 광섬유 센싱과 함께 사용될 수 있는 한편, 레일린 산란은 본 개시내용에서의 바람직한 구현예이다.
레일리 후방산란에 기초한 광섬유 분산 센싱은 예를 들면 약 77 K의 작동 온도에서 고온 초전도체(HTS)에 대한 켄치 검출 시스템(quench detection system)으로서 매우 잘 작용한다. 그러나, 하이 필드 초전도 자석의 작동 온도는 약 1.8 K 내지 30 K이다. 전형적인 단일 모드 통신 등급 광섬유를 사용하는 이러한 온도 범위에서, 레일리 후방산란 기반 섬유 광학의 민감도는 감소하고, 광섬유가 실질적으로 불감성이게 되는 지점에 도달될 수 있다. 민감도에 있어서의 급격한 강하에 대한 이유는 전형적인 광섬유의 매우 낮은 열팽창 계수 및 저온에서의 전형적인 광섬유의 코팅의 매우 낮은 열팽창 계수에 있다.
이하 도 1을 참조하면, 전형적인 단일 모드 통신 등급 광섬유(100)의 예의 도면이 나타나 있다. 전형적인 광섬유(100)는 중심 코어(103), 클래딩(106), 및 코팅(109)를 포함할 수 있다. 전형적인 광섬유(100)는 대략 125 μm 이상의 직경을 갖는 상대적으로 큰 클래딩(106)을 특징으로 할 수 있다. 코어(103) 및 클래딩(106)은 각각 거의 순수한 실리카(SiO2) 및 도핑된 실리카뿐만 아니라 다른 유리 예컨대 불화물 및 인산염 유리를 포함할 수 있다. 코어(103) 및 클래딩(106)의 적절한 선택은 섬유를 따라 이동하는 광자의 전체 내부 반사를 보장할 수 있다. 이의 조성은 이에 따라 제한적이다. 종래의 광섬유의 코팅은 주로 기계적 물성을 개선하고, 취급 및 설치 과정에서 열화로부터 코어 및 클래딩을 보호하는 것을 목적으로 한다. 전형적인 코팅재는 플라스틱 및/또는 다른 유형의 코팅을 포함한다. 추가적인 층(자켓)은 코팅을 둘러쌀 수 있다. 이러한 추가적인 층은 유리 및/또는 다른 유형의 자켓 물질을 포함할 수 있다.
그러나, 실리카는 저온(예를 들면, 약 1.8 K 내지 77 K 이하)에서의 매우 낮은 열팽창 계수를 가진다. 이와 같이, 섬유 코어(103) 및 코어-클래딩 계면은 전체 섬유 복합체의 온도에서의 변화시 충분하게 연신되지 못하고, 이에 따라, 결함 패턴은 실질적으로 변화되지 않는다. 이것은 섬유가 예를 들면 레일리 산란, 브래그 격자, 및/또는 다른 유형의 복조 기술에 의해 복조된 센서로서 사용되는 경우에 저온에서의 민감도가 감소되는 이유이다.
저온에서의 전형적인 광섬유(100)의 민감도에 있어서의 감소는 전형적인 레일리 후방산란 섬유 광학 센서의 측정 원리를 고려함으로써 추가로 설명될 수 있다. 예를 들면, 임의의 광섬유는 다수의 결함 및 밀도 변동을 가진다. 이러한 결함 및 변동은 상기 특정 섬유의 고정적 특징인 것으로 고려된다. 또한, 임의의 소정의 광섬유(100)는 이의 자신의 패턴을 가지며, 이는 소정의 레일리 후방산란 스펙트럼을 생성한다. 온도 및 변형율이 일정하다면, 동일한 섬유(100)는 광자의 동일한 빔으로 주입되는 경우에 항상 동일한 후방산란 신호를 생성할 것이다. 그러나, 온도 또는 변형율에서의 변화시, 섬유는 이의 결함과 함께 신축된다 (또는 수축된다). 결합 패턴에서의 변화는 상이한 후방산란된 스펙트럼을 증가시키고, 여기서 후방산란된 광자의 파장은 비섭동 조건(unperturbed condition)의 후방산란된 스펙트럼에 대해 이동될 것이다. 2개의 스페트럼의 상호 상관 관계는 광섬유에 의해 일어나는 온도 또는 변형율에서의 변화와 관련된다. 그러나, 규산염 및 다른 유리의 낮은 CTE로 인하여, 섬유 코어(103)의 길이 및 전형적인 섬유 광학 센서의 코어-클래딩 계면은 전체 섬유 복합체의 온도에서의 변화시 저온에서 변화되지 않고, 이에 따라, 결함 패턴은 실질적으로 변화되지 않는다. 이에 따라, 섬유가 센서로서 사용되는 경우에 저온에서의 민감도가 감소하여 이로써 센서로서의 광섬유의 사용의 장점은 매우 감소된다.
도 2를 참조하면, 온도의 함수로서의 고정된 열 섭동으로 생성된 스펙트럼 시프트의 예의 도식적 표현 설명을 나타내고 있고, 이는 이러한 온도에서 전형적인 광섬유(100)의 민감도를 나타낸다. 전형적인 광섬유(100)의 민감도는 온도가 약 5 K 내지 약 40 K의 범위에서 감소함에 따라 대략 선형적으로 감소하고, 반면 민감도는 5 K 미만의 온도에서 상당하게 감소된다. 특히, 도 2에서의 데이터 지점은 4.2 K로 표시되고, 이는 4.2 K에서 반복된 다수의 측정값의 평균임을 주지한다. 적절한 코팅(높은 CTE 및/또는 높은 E를 제공함)을 사용하는 경우, 민감도 대 온도는 더 높은 민감도로 변환될 수 있고, 5 K 미만의 민감도 강하가 제한될 수 있다.
이하 도 3을 참조하면, 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 향상된 광섬유(300)의 예를 나타낸다. 향상된 광섬유(300)은 코어(303), 클래딩(306), 및 코팅(309)를 포함한다. 도 1의 전형적인 광섬유(100)와 마찬가지로, 향상된 광섬유(300)의 코어(303) 및 클래딩(306)은 각각 실질적으로 순수한 실리카(SiO2) 및 도핑된 실리카뿐만 아니라 다른 유리(예를 들면, 불화물 및 인산염 유리)를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 향상된 광섬유의 코어(303)는 약 5 - 8 μm일 수 있다. 일부 구현예에서, 클래딩(306)은 약 30-125 μm일 수 있다. 광섬유가 통신 목적을 위해 사용되는 경우에, 클래딩(106)의 두께는 전송 과정에서 데이터 손실을 방지하는데 있어서 중요한 인자이다. 그러나, 온도 및 변형율 센싱의 경우, 광섬유 센서에서 필요도 되는 구성요소는 섬유 코어 및 코어-클래딩 계면이다. 두꺼운 클래딩은 장점을 제공하지 않는다. 더 얇은 클래딩(306)을 가지는 것은 향상된 광섬유(300)가 다양한 복조 기술, 예컨대, 예를 들면, 레일리 산란, 브래그 격자, 및/또는 임의의 다른 적합한 복조 기술을 사용하여 복조되게 한다.
저온에서, 더 얇은 클래딩(306)은 전체 복합체(코어(303), 클래딩(306), 및 코팅(309))에 적용되는 온도 변화에 대응하여 섬유 코어(303)가 신장된 채로 (또는 수축된 채로) 유지하기 위한 물질을 적게 가진다. 클래딩 물질(예를 들면, 실리카)이 저온에서 민감도에서 감소를 야기할 수 있기 때문에, 클래딩 두께의 크기는 감소될 수 있고 및/또는 실리카(SiO2) 또는 다른 유리보다 저온에서 더 높은 열팽창 계수를 나타내는 코팅(309)으로 부분적으로 대체될 수 있다.
향상된 광섬유(300)의 코팅(309)은 높은 CTE(즉, CTE 실리카보다 더 큼) 및/또는 높은 영률(실리카의 E보다 더 큼)을 갖는 하나 이상의 물질을 포함한다. 예를 들면, 코팅은 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리염화비닐(PVC), 염소화 폴리염화비닐(CPVC), 탄소, 아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 에폭시 수지(미충전된 및 충전된 것 모두, 예를 들면, 탄소 에폭시), 금속(예를 들면, 알루미늄, 구리, 은, 금, 아연, 납, 니켈, 인듐, 비스무스, 주석, 및 이의 합금), 산화물(예를 들면, 티타니아, 알루미나 및 지르코니아) 및/또는 높은 CTE 및 높은 영률을 갖는 다른 유형의 물질 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 실리카는 100 K 이하에서 거의 제로의 CTE(0-0.5 x 10-6 K - 1)를 가지고, 반면 금속은 100 K에서 최대 25 x 10-6 K - 1를 보유하고, 중합체는 100 K에서 대략 50 x 10-6 K -1의 CTE를 가질 수 있음을 주지하여야 한다. 또한, 실온에서의 실리카의 영률은 약 70 기가파스칼(GPa)이다. 일반적으로, 영률은 온도에 심하게 좌우되지 않는다. 그러나, 에폭시의 E는 300 K에서 약 2 GPa이고, 200 K에서 거의 두배이다. 금속 및 금속 합금에 대한 실온 탄성 계수는 납-주석 솔더에 대해 30 GPa로부터 아연에 대해 105 GPa까지의 범위이고, 반면 세라믹 물질은 알루미늄 산화물의 380 GPa 정도로 높은 영률을 가질 수 잇다.
측정 민감도가 섬유의 부피 팽창에 의해 유도되기 때문에, 저온(약 4 K 내지 77 K 이하)에서 온도에서의 변화시(즉, CTE의 증가) 섬유의 체적에 있어서의 변화의 증가는 센싱 시스템의 민감도에 있어서의 증가를 야기한다. 또한, 섬유 코어로 전달되는 변형율을 최대화하기 위해, 코팅재의 영률은 가능한 커야 한다(예를 들면, SiO2의 E보다 더 큼).
일부 구현예에서, 코팅(309)은 이해될 수 있는 바와 같이, 코팅이 섬유에 잘 결합되는지 여부, 섬유를 둘러싼 다른 물질(예를 들면, 섬유가 다른 물질과 함께 통합되는 응용분야), 섬유의 응용분야, 및/또는 CTE 및/또는 영률의 범위에 영향을 미칠 수 있는 다른 인자에 좌우될 것이다. 일부 구현예에서, 향상된 광섬유(300)는 클래딩(306)과 코팅(309) 사이에 중간층(예를 들면, 니켈(Ni), 주석(Sn), 또는 다른 금속)을 포함하여 만족스러운 결합 강도를 제공할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 레일리 산란에 의해 복조된 4.2 K에서 상이한 코팅재를 갖는 광섬유(300)의 열 민감도에 대한 실험 결과의 도식적 표현의 예를 나타낸다. 실험은 동일한 에너지 및 동일한 파워를 가진 열 펄스를 상이한 샘플에 부여하는 단계 및 시간의 함수로서의 스펙트럼 시프트를 측정하는 단계로 구성된다. 모든 샘플은 측정을 시작하기 전에 4.2 K로 냉각된다. 각각의 섬유는 정확하게 동일한 형상 및 특성의 것인 가열기에 의해 둘러싸인다. 부여된 열 섭동은 모든 샘플에 대해 동일하기 때문에, 스펙트럼 시프트 변화가 더 높을수록, 샘플은 더 민감성이게 된다. 도 4에서 민감성이 플롯에 의해 기재되어 있는 모든 샘플은 125 μm의 실리카 클래딩 및 하나 이상의 코팅층을 포함한다. 범례에서의 문자는 실리카 클래딩의 상면에 코팅된 물질에 해당된다. 표기법은 하기와 같이 정의된다: 408은 아크릴레이트를 의미한다. Sn 410은 주석이다. A-BiSn 402는 실리카 클래딩 상의 아크릴레이트 및 아크릴레이트 상의 Bi-Sn 합금의 복합체 코팅이다. 유사하게는, A-Sn 404은 (실리카 클래딩 상의) 아크릴레이트 상의 복합체 코팅 주석이다. C-Sn 406은 주석 상의 탄소를 의미한다. 따라서, A-Sn은 아크릴레이트 및 주석의 혼합물이 아니라, 순수 아크릴레이트층 상의 순수 주석층으로 이루어진 적층형 복합체 코팅이다. 구형파에 근접한 파선은 열 펄스(412)이다.
결과는 4.2 K에서의 금속 코팅(Sn) 또는 금속-탄소 또는 금속-중합체 복합체 코팅은 단일 아크릴레이트 코팅보다 더 민감성인 것을 분명하게 나타낸다. 베어 광섬유(bare optical fiber)(임의의 코팅 없는 클래딩을 포함함)은 상술한 샘플에 적어도 민감성일 것이고, 반면 동일한 코팅 구조는 더 얇은 클래딩(예를 들면, 본원에 나타낸 125 μm 대신에 80 μm) 상에 재생된 동일한 코팅 구조는 더 높은 민감성을 발생시킬 것임을 주지한다.
도 5 및 6을 참조하면, 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 예시적인 코팅을 나타낸다. 도 5는 금속 중합체 복합체 코팅(500)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 미세사진의 예이다. 125 μm의 실리카 클래딩(502)은 아크릴레이트(504) 및 주석(506)으로 코팅되고, 주석(506)은 아크릴레이트(504) 상부에 코팅되고, 아크릴레이트(504)는 실리카 클래딩(502) 상부에 코팅된다. 도 6은 간층이 없는 실리카 클래딩(502) 상에 증착된 주석 코팅(506)을 포함하는 광섬유(600)의 단면이다.
도 7-9를 이하 참조하면, 본 개시내용의 다양한 구현예에 따라 금속성 물질(1002)을 가진 광섬유(도 10)를 코팅하기 위한 코팅 시스템(700)(예를 들면, 700a, 700b, 700c)의 개략적 표현의 예를 나타낸다. 다양한 구현예에 따라, 금속성 물질(1002)(예를 들면, 코팅)은 광섬유 클래딩(106)(예를 들면, 보통 실리카 또는 도핑된 실리카로 제조됨), 클래딩(106)을 둘러싸고, 중합체(예를 들면, 아크릴레이트, 폴리이미드 등), 세라믹층, 및/또는 이의 상면에 증착된 금속성 물질보다 더 높은 용융점을 갖는 앞서 증착된 금속성 층에 적용될 수 있다.
코팅 시스템(700)은 코팅되는 금속성 물질(1002)의 액상의 저장소(702), 코팅 부재(704), 코팅 부재(704)에 액체를 전달하는 공급 부재(706), 적어도 2개의 스풀(710)(예를 들면, 710a, 710b), 및 광섬유(712)를 포함할 수 있다. 코팅 부재(704)는 원하는 코팅을 증착하는데 적합한 액체 형태로의 금속성 물질(1002)의 특정 양을 보유한다. 코팅 부재(708)는 코팅되는 섬유(712)의 직경 및 원하는 코팅 두께에 좌우되는 직경(Dor)의 오리피스(1102)(도 11)를 나타낸다. 오리피스(1102)의 직경(Dor)은 약 50 μm 내지 수 밀리미터(예를 들면, 약 4mm)의 범위일 수 있다.
도 7-9의 코팅 시스템(700)은 추가로 챔버(714)를 포함할 수 있다. 챔버(714)는 나머지 실험실로부터 특정 물질을 분리하여, 이로써 챔버(714)에 의해 분리된 물질은 약 1 atm 미만의 압력(진공 조건)에서 유지될 수 있거나 또는 상이한 압력은 챔버(714)를 비우고, 불활성 가스를 이에 유동시켜 생성될 수 있다. 이러한 두번째 경우에서, 공기와 상이한 가스가 사용되는 경우, 챔버(714) 내부의 압력은 전형적으로 약 1 atm 또는 그보다 약간 낮으며, 일반적으로 압력은 심지어 1 atm보다 더 높은 임의의 것일 수 있다. 두 경우에서, 챔버(714)는 처리 과정에서 코팅재(1002)의 산화를 회피하기 위해 사용된다.
다양한 구현예에 따라, 챔버(714)는 가스(716) 및/또는 펌프(718)와 연결될 수 있다. 일부 구현예에서, 챔버(714)는 진공 챔버를 포함한다. 다른 구현예에서, 도 7-9에서의 챔버(714)는 불활성 가스 및/또는 주위 공기가 아닌 임의의 다른 가스를 포함하는 가스 챔버를 포함한다. 도 7은 전체 시스템(예를 들면, 저장소(702), 코팅 부재(704), 공급 부재(706), 스풀(710), 및 광섬유(712)을 둘러싼 챔버(714)를 예시한다. 도 8에서, 챔버(714)는 주로 저장소(702)만을 둘러싼다. 도 9에서, 챔버(714)는 주로 코팅 부재(704)만을 둘러싼다.
코팅되는 광섬유(712)는 적절한 인발 속도로 코팅 부재(704)의 오리피스(1102)를 통해 인발될 수 있다. 인발 속도는 약 1 cm/s 내지 약 20 m/s의 범위일 수 있다. 광섬유(712)는 코팅 부재(704)에 앞에 있는 제1 스풀(710a)로부터 풀려지고, 코팅 부재(704)이 비해 하류에 있는 제2 스풀(710b) 상에 재권취된다. 스풀(710)의 회전 방향은 반드시 도 7에 나타난 방향이 아님을 주지하여야 한다. 도 7, 8, 및 9에 예시된 각각의 예에서, 스풀(710)은 이해될 수 있는 바와 같이 임의의 방향으로 회전할 수 있다. 따라서, 섬유(712)는 임의의 방향으로 인발될 수 있고, 이는 수직 또는 수평일 수 있다.
이하에서 도 10 및 11을 참조하면, 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 코팅 부재(704)의 개략적 표현의 예를 나타낸다. 섬유(712)가 코팅재(1002)와 접촉되기 바로 직전의 코팅되는 섬유(712)의 섬유 온도(Tf) 및 코팅 부재(704)에서의 코팅재(1002)의 액상 온도(Tliq)는 결합 공정에 대해 결정적으로 중요하다. 도 10은 이러한 온도의 정의를 확인한다. 도 10에서의 Tliq는 코팅재의 용융 온도와 반드시 동시에 일어나지 않는다. 사실상, 코팅재(1002)의 용융점 온도(Tm) 초과의 약간의 정도의 켈빈의 온도 차이가 적합할 수 있다. 약 0 내지 약 50 K의 온도 차이가 전형적이고, 최적의 온도 차이는 섬유 온도(Tf), 인발 속도(Vd) 및 오리피스 크기(Dor)에 좌우된다. 도 11은 코팅 부재(704)에서의 오리피스 크기 및 액체 수준의 결정에 도움이 되는 예시적인 개략적 표현을 제공하며, 여기서 Dor는 오리피스의 직경이고, H는 액체 수준이다.
최적 인발 속도는 존재하고, 코팅재(1002)의 용융점, 오리피스(1002)의 크기, 액체의 온도 및 코팅 부재와의 접촉 지점에서의 섬유의 온도에 좌우된다. 예를 들면, 코팅재(1002)와의 접촉 지점에서의 섬유(712)(도 10)의 섬유 온도(Tf)가 높을수록, 최적 인발 속도가 높아진다. 동일한 경향은 코팅 부재(704)에서의 액상의 액상 온도(Tliq)에 대해 유지된다(이는 이해될 수 있는 바와 같이 액체인 코팅재(1002)의 용융점 온도(Tm)보다 높을 필요가 있음). 이와 같이 온도 차이(Tliq-Tm)는 정의될 수 있고, 이는 항상 양의 값이다. 온도 차이(Tliq-Tm)가 높을수록, 최적 인발 속도가 높아진다. 액체 수준(H)(도 11)과 최적 인발 속도 사이의 관계는 하기와 같다: 액체 수준(H)이 높을수록, 최적 인발 속도가 높아진다. 예로서, 약 0.5-1.5의 H 및 약 1-10 K의 온도 차이(Tliq-Tm)의 경우, 최적 인발 속도는 10-150 cm/s의 범위일 것이다. 최적 값으로부터 유도된 인발 속도는 불충분하거나 또는 좋지 않은 품질의 코팅을 야기하고, 반면 최적 코팅 속도는 최고의 결합 및 코팅 품질 및 균일성을 보장한다. 또한, 일정하지 않은 인발 속도는 또한 이해될 수 있는 바와 같이 불균일한 코팅 두께 및 일반적으로 나쁜 코팅 품질을 야기한다.
높은 품질의 코팅에 대한 중요한 인자 중 하나는 코팅재(1002)의 용융점 온도(Tm), 섬유 온도(Tf) 및 액체(Tliq)의 온도 사이의 온도 차이이다. 섬유 표면 상에 결합되는 코팅재(1002)(예로서, 실리카 클래딩)의 경우, Tf는 Tm보다 더 낮을 필요가 있고, 그렇지 않으면, 코팅재(1002)는 섬유 표면 상에서 고화되지 않을 것이다. 따라서, 고화의 상 변환은 섬유 표면 상에서 발생될 필요가 있고, 변환에 대한 구동력은 보통 본원에 사용되는 표기법에서 Tm -Tf인 과냉각으로서 보통 지칭되는 것에 비례한다. 섬유(712)가 (코팅 부재(714)에서의) 액체 코팅재(1002)를 통해 이동하는 것을 필요로 하기 때문에, 섬유 온도는 계속해서 증가할 것이고, 이에 따라 이해될 수 있는 바와 같이 과냉각은 감소한다. 이에 따라, 고화에 대한, 그리고 코팅 공정에 대한 구동력은 섬유가 코팅 부재(704)를 통해 이동함에 따라 감소한다. 상기 구동력을 증가시키는 방법은 이것이 코팅 부재(704)로 유입되기 이전에 섬유(712)를 사전냉각시키는 것이다. 이에 따라, 냉각 스테이지(1202)는 도 7-9의 시스템 구조에 부가될 수 있다. 도 12는 냉각 시스템(700)의 예시적인 개략적 표현을 도시하고 있고, 이는 본 개시내용의 다양한 구현예에 따른 냉각 스테이지(1202)를 나타낸다.
냉각 스테이지(1202)의 부가는 도 7에서와 같이 전체 시스템을 둘러싼 챔버(714)를 가진 구조에 대해서만 나타나고, 그러나, 이는 모든 다른 경우에 대해서도 유지된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 냉각 스테이지(1202)의 도움으로 섬유 표면을 오염시키지 않고, 이것이 코팅 부재(704)로 들어가지 이전에 섬유 온도를 감소시킨다. 이는 이해될 수 있는 바와 같이 냉각 스테이지(704) 앞에서의 섬유 온도보다 더 차가운 불활성 가스(예를 들면, 액체 질소 배스에 의해 생성된 질소 증기)의 사용 또는 임의의 종래의 냉각기에 의해 전도 냉각되는실린더형 대칭성을 갖는 냉각 부재에 섬유(712)를 노출시키는 것을 포함하는 다수의 방식으로 실시될 수 있다.
공정에서 조절될 필요가 있는 다른 파라미터는 코팅 부재(704)에서의 액체 물질의 수준이다. 사실상, 액체 수준이 높을수록, 섬유(712)가 더 길게 액체 코팅재(1002)에 잔류할 것이고, 상기에 설명된 바와 같이 섬유 온도가 더 높아지고, 고화를 위한 구동력이 감소한다. 최적 액체 수준은 인발 속도, 섬유 온도, 코팅재(예를 들면, 코팅재의 용융 온도), 오리피스 크기, 및 액체의 온도(Tliq)에 좌우된다.
본 개시내용의 시스템 및 방법은 공지된 시스템 및 방법보다 유리하다. 예를 들면, 종래의 시스템 및 방법과 달리, 코팅 시스템(700) 및 관련 방법은 존재하는 섬유(712)를 재코팅하고 및/또는 섬유 브래그 격자를 재코팅하기 위해 사용될 수 있다(이는 섬유 브래그 격자의 상면 상의 코팅이 브래그 격자가 아직 내접되지 않아 인발 공정 과정에서 적용될 수 없기 때문이다). 또한, 본 코팅 시스템(700) 및 방법은 심지어 극히 낮은 용융 온도 금속(예를 들면, [예시 제공 요함])을 코팅할 수 있고, 공정과 관련된 온도는 섬유 브래그 격자가 변경되지 않은 코팅 공정을 견딜 수 있도록 낮다 (예를 들면, [예시 제공 요함]). 또한, 본 개시내용의 코팅 시스템(700) 및 방법은 종래의 시스템 및 방법, 예를 들면, 스퍼터링, 단지 매우 작은 영역(cm의 치수)만을 코팅하고 더 긴 노출 시간을 요구할 수 있는 플라즈마 관련 증착 또는 레이저 증착과 달리 임의의 길이의 섬유(712)를 코팅할 수 있다. 또한, 코팅은 종래의 코팅 방법, 예를 들면, 화학적 및/또는 전기화학적 코팅과 비교하여 보다 신속하게 코팅 시스템(700) 및 방법을 통해 섬유(712)에 적용될 수 있다(예를 들면, 화학 공정을 수반하는 키네틱이 본원에 사용되는 물리적 공정(고화의 상 변환)의 키네틱보다 훨씬 느리다). 사실상, 코팅 속도는 초당 수미터인 정도로 높을 수 있는 인발 속도(Vd)와 동등하다. 따라서, 일 예로서, 저온 금속이 약 8분 내에 1 km의 광섬유를 코팅할 수 있다.
본 개시내용의 상기 기재된 구현예는 본 개시내용의 원리의 명확한 이해를 위해 기재된 실시의 단지 가능한 예인 것임이 강조되어야 한다. 수많은 변형예 및 수정예가 본 개시내용의 사상 및 원리로부터 실질적으로 벗어남 없이 상기 기재된 구현예(들)에 대해 이루어질 수 있다. 모든 이러한 수졍예 및 변형예는 본 개시내용의 범위 내에서 본원에 포함되고, 하기 특허청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
비, 농도, 양, 및 다른 수치적 데이터는 본원에서 범위 형태로 표현될 수 있음을 주지하여야 한다. 이러한 범위 형태는 편의 및 간소성을 위해 사용되며, 이에 따라 범위의 한계값으로서 명백하게 인용되는 수치값을 포함할 뿐만 아니라 각각의 수치값 및 하위 범위가 명백하게 인용되는 경우와 같이 모든 개개의 수치값 또는 하위 범위가 이 범위 내에 포함되도록 유연한 방식으로 해석되어야 함을 이해하여야 한다. 예시를 위해, "약 0.1% 내지 약 5%"의 농도 범위는 약 0.1 wt% 내지 약 5 wt%의 명백하게 인용된 농도를 포함할 뿐만 아니라 개개의 농도(예를 들면, 1%, 2%, 3%, 및 4%) 및 표시된 범위 내의 하위 범위(예를 들면, 0.5%, 1.1%, 2.2%, 3.3%, 및 4.4%)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "약"은 수치값의 유효 숫자에 따른 종래의 반올림을 포함할 수 있다. 또한, 문구 "약 'x' 내지 'y'"는 "약 'x' 내지 약 'y'"를 포함한다.

Claims (20)

  1. 분산 센싱을 위한 향상된 광섬유로서,
    코어;
    코어를 둘러싸는, 유리 물질을 포함하는 클래딩; 및
    클래딩을 둘러싼 코팅으로서, 코팅의 하나 이상의 열 팽창 계수(CTE)가 실리카의 CTE보다 더 크거나 또는 코팅의 영률(E)이 실리카의 E보다 더 큰 것인 코팅
    을 포함하는 분산 센싱을 위한 향상된 광섬유.
  2. 제1항에 있어서, 향상된 광섬유는 약 1.8 켈빈(K) 내지 약 77 K의 작동 온도 범위 내에서 변형율 또는 온도 변화 중 하나 이상을 감지하도록 구성되는 향상된 광섬유.
  3. 제2항에 있어서, 작동 온도 범위는 약 1.8 K 내지 약 30 K인 향상된 광섬유.
  4. 제3항에 있어서, 작동 온도 범위는 약 1.8 K 내지 약 5 K인 향상된 광섬유.
  5. 제1항에 있어서, 코팅은 하나 이상의 층을 포함하는 향상된 광섬유.
  6. 제1항에 있어서, 코팅은 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리염화비닐(PVC), 염소화 폴리염화비닐(CPVC), 탄소, 아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 에폭시 수지, 금속, 또는 산화물 중 하나 이상을 포함하는 향상된 광섬유.
  7. 제6항에 있어서, 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 은, 은 합금, 금, 금 합금, 아연, 아연 합금, 납, 납 합금, 니켈, 니켈 합금, 인듐, 인듐 합금, 비스무스, 비스무스 합금, 주석, 또는 주석 합금 중 하나 이상을 포함하는 향상된 광섬유.
  8. 제6항에 있어서, 산화물은 티타니아, 알루미나, 세리아 또는 지르코니아 중 하나 이상을 포함하는 향상된 광섬유.
  9. 제1항에 있어서, 코어의 직경이 약 4 내지 약 8 μm인 향상된 광섬유.
  10. 제1항에 있어서, 클래딩의 직경이 약 30 내지 약 125 μm인 향상된 광섬유.
  11. 제1항에 있어서, 클래딩과 코팅 사이에 위치한 중간층을 더 포함하는 향상된 광섬유.
  12. 제1항에 있어서, 레일리 후방산란 또는 브래그 격자 중 하나 이상을 통해 복조되는 향상된 광섬유.
  13. 제1항에 있어서, 유리 물질이 실리카, 형석 유리, 또는 인산염 유리 중 하나 이상을 포함하는 향상된 광섬유.
  14. 분산 센싱용 광섬유의 향상 방법으로서,
    광섬유를 코팅 부재의 제1 말단에서 오리피스로 삽입하는 단계로서, 코팅 부재는 내부에 배치된 코팅재를 포함하고, 코팅재는 액체 형태이고, 코팅재는 실리카의 CTE보다 더 큰 열 팽창 계수(CTE) 또는 실리카의 E보다 더 큰 영률(E) 중 하나 이상을 포함하는 단계; 및
    코팅 부재 내에 포함된 코팅재를 통해 광섬유를 예정된 속도로 코팅 부재의 제2 말단으로 이동시키는 단계로서, 코팅재는 광섬유가 제1 말단으로부터 제2 말단으로 이동함에 따라 광섬유의 외면에 결합되는 단계
    를 포함하는 분산 센싱용 광섬유의 향상 방법.
  15. 제14항에 있어서, 예정된 속도는 적어도 부분적으로 코팅재의 용융점, 오리피스의 크기, 액체 형태의 코팅재의 온도, 또는 코팅재와의 접촉시의 섬유의 온도 중 하나 이상에 기초하는 것인 향상 방법.
  16. 제14항에 있어서, 섬유의 온도는 코팅재의 용융점 온도보다 낮은 것인 향상 방법.
  17. 제14항에 있어서, 코팅 기기로 광섬유를 삽입하기 이전에 광섬유를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 향상 방법.
  18. 제14항에 있어서, 오리피스의 크기는 적어도 부분적으로 코팅되는 광섬유의 코팅 두께 및 직경에 기초하는 것인 향상 방법.
  19. 제14항에 있어서, 공급 부재를 통해 저장소로부터 코팅 부재로 코팅재를 이송하는 단계를 더 포함하는 향상 방법.
  20. 제14항에 있어서, 코팅 부재 내의 코팅재의 액체 수준을 조절하는 단계를 더 포함하며, 액체 수준은 적어도 부분적으로 예정된 속도, 섬유의 온도, 코팅재의 용융점 온도, 오리피스의 크기, 또는 액체 형태로의 코팅재의 온도 중 하나 이상에 기초하는 것인 향상 방법.
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