定义
暴露于高能伽马或其他辐射时性能下降相对较小的光纤。
在光纤和基于光纤的组件的某些应用中，光纤可能会受到大量辐射：
- 各种地球轨道上的空间卫星暴露在银河系和银河系外宇宙射线下。 此外，还有高能太阳粒子，它们可能直接到达或被困在地球磁场中。 实际上，辐射范围很广，包括质子和电子、中子、重离子、伽马射线（γ射线）和X射线。 其中一些具有非常高的量子或粒子能量。 这可能会影响光星间通信和LIDAR（用于地球探索）的技术，例如光纤放大器和无源光纤。 剂量率通常不是很高，但在超过10年的服务时间内，累积辐射剂量可能很大。
- 在较低程度上，飞机中的光纤受到影响，例如在光纤链路和陀螺仪中。
- 在高能物理实验中，例如涉及粒子加速器或激光诱导核聚变，光纤用于光纤通信，传输大量数据。 纤维可能暴露在同步辐射（在摆动器和波动器上特别强烈），辐射或直接暴露于粒子辐射。
- 核电站和储存核废料的场址可以配备通信光纤，也可以配备分布式光纤传感器，其中一些可用于监测暴露于高水平辐射地区的核反应堆周围的条件。 例如，在裂变反应堆附近发生寿命剂量极高的强烈中子辐照。 未来的聚变反应堆也会出现类似的挑战。
- 例如，医学成像和癌症治疗可能涉及X射线或质子辐射，以及用于各种目的的光纤。
纤维降解的类型
在此类应用中，接收到的辐射可能会使纤维（主要是二氧化硅纤维）降解：
辐射诱导衰减通常是主要问题。
- 主要问题通常是辐射诱导衰减（RIA），即通过诱导吸收和可能的瑞利散射增加传播损耗。 然而，这些损失中的许多可能会在照射后消失，例如在几分钟或一个小时内，即纤维可以在某种程度上表现出自发恢复。 此外，在某些情况下，引入的吸收最初单调上升，但随后随着进一步的照射而饱和，甚至减少。
- 在某些情况下，光纤芯中的辐射诱导发光（或辐射诱导发射）或切伦科夫光引导是有问题的，例如使用光纤传感器进行干扰测量。 这种发光在照射过程中可能很强，但也可能存在长寿命磷光。
光纤布拉格光栅可能会受到折射率变化的影响。
- 此外，还可能存在辐射引起的折射率变化的问题，特别是与某些光纤传感器中使用的光纤布拉格光栅有关。 一个典型的观察结果是，对于测量可能至关重要的布拉格波长被修改了。 请注意，折射率变化通常与通过克莱默斯-克罗尼格关系的紫外线吸收变化有关。
- 其他光纤特性可能会受到影响，这些特性与某些光纤传感器相关，例如，与布里渊散射相关的特性。
通常，这种影响会导致性能下降，甚至完全丧失基本功能。 在极端情况下，物理实验中单个纳秒长的强辐射脉冲可能会在标准电信光纤中引入超过1000dB / m的传播损耗。 因此，需要耐辐射纤维，一种特种纤维。 它们也被称为辐射硬化（特别是在已采取特定措施的情况下）或耐辐射。
请注意，电子和光电子等其他技术也或多或少对辐射敏感;就辐射诱导的降解而言，纤维绝非独一无二。 例如，已知用于高辐射区域检查或维修目的的机器人电子设备在相对较短的运行时间后会失效。 光纤在对非电离辐射的免疫力方面也具有实质性优势;例如，即使是极强的射频噪声也不会干扰光纤通信链路的运行。
在某些情况下，纤维中的辐射诱导效应被用于测量累积剂量和/或实时剂量率。
请注意，由于以下几个原因，不同应用中的辐射诱导效应问题在数量和质量上可能非常不同：
- 光纤暴露的辐射类型和数量可能非常不同。 无论是随着时间的推移缓慢积累一定的辐射剂量还是由强烈的辐射闪光发生，它也会产生很大的差异。
- 在不同情况下使用不同长度的光纤，在几厘米到几公里之间。
- 透射光可以处于不同的波长区域，这些区域受辐射的影响可能非常不同。 灵敏度也来自不同的要求，例如对测量精度的要求。
- 使用的光纤是不同类型的，针对不同的应用进行了优化，并且可以表现出非常不同的辐射灵敏度。 例如，有源光纤通常比被动光纤对辐射敏感得多。
- 在某些应用中，光纤中的光会导致有用的光漂白（见下文），从而减少问题。
辐射诱导降解背后的物理机制
主要挑战通常是辐射诱导衰减。 这可能是由辐射产生的微观缺陷引起的。 对已经存在的缺陷（前体）也有影响：
- 纤维预制棒中已经存在一些缺陷。 例如，玻璃纤维自然不像单晶那样具有完全规则的微观结构，而是更复杂的随机结构，涉及各种缺陷。 例如，在二氧化硅纤维中，可能存在大量密度的非桥接氧孔中心（NBOHC）、全氧连接（氧间隙）和氧空位。 某些缺陷的浓度会受到与完美化学计量的微小偏差的强烈影响。 此外，还存在与羟基（OH）离子，氯（Cl）和各种金属等杂质相关的缺陷。 辐射可以改变这些缺陷，从而产生新的吸收带。
- 在纤维拉伸过程中，机械应力可能会产生进一步的缺陷。 对于高速拉制的光纤尤其如此，尽管光纤拉丝塔的细节可以大大改变结果。
- 辐射可以电离现有的缺陷，但也会产生新的缺陷。 特别是，已知中子辐射会导致严重的结构缺陷。
掺杂稀土的纤维对辐射特别敏感！
- 众所周知，各种常用的掺杂剂 - 在纤维芯中，但有时也在光纤包层中 - 严重增加了辐射引起的损失。 例如锗离子、磷、铝，特别是某些稀土离子（例如 Yb3+的3+， Tm3+和嗯3+），用于光纤放大器和激光器的有源光纤以及超发光源。 除了两种稀土离子外，一种经常掺杂氧化铝等物质，以改善稀土离子的掺入（避免聚类），但这种额外的掺杂剂可以进一步增加辐射敏感性。
由此产生的缺陷通常充当色心，吸收各种波长的光。 通常，它们会引起强烈的紫外线吸收，在可见光谱区域有大量尾巴，但进入红外线的尾巴要少得多。 然而，可以诱导一定量的红外吸收，部分原因是潜在的物理细节尚未明确识别。
不同贡献对辐射诱导衰减的相对重要性在很大程度上取决于光纤的类型。
辐射引起的损失的自我修复主要基于热激活过程。 因此，如果温度大幅升高，它可能会被强烈加速（几个数量级）。 然而，与此同时，诱导吸收积聚所涉及的有害影响也可能加速。
在某些应用中，存在光漂白效应，即在操作过程中通过光纤发送的光引起的辐射诱导吸收减少。 这已经对毫瓦级的光功率产生了重大影响，当然，这与光波长的依赖性很大。
辐射也可能诱导发光，再次涉及某些微观缺陷，这些缺陷可以被辐射电子激发，然后自发发射光。
提高纤维耐辐射性的方法
没有通用的方法可以实现完美的抗辐射性，即避免纤维中任何水平的辐射诱导降解。 但是，通过各种措施，可以或多或少地实现实质性的改进：
避免非必需杂质
避免某些非必需的外在杂质（如氯）可能会有所帮助。 然而，这并不总是那么容易，例如，因为已经制定了涉及氯的瓶坯制造工艺来降低羟基含量，然后需要开发新的工艺来通过其他方式实现这一目标。 然而，例如已经开发出抗辐射纯二氧化硅。
掺杂
此外，人们可以尽量避免以其他方式故意引入掺杂剂，如日耳曼和氧化铝;然后需要以某种方式替换它们的功能。 例如，可以不使用锗掺杂来增加纤维芯中的折射率，而是将纯二氧化硅芯与氟掺杂（折射率降低）包层结合使用。
纯二氧化硅芯+氟掺杂包层：标准溶液。氟在核心中也更有效。
已经发现一些掺杂剂可以增加抗辐射性。 例如，氟掺杂似乎通常有帮助;因此，人们可能有一个轻氟掺杂的纤维芯，周围环绕着一个掺杂程度更高的氟掺杂包层[10]。 多模和单模光纤都可以用这种设计制成。 此外，还有掺氮纤维，其辐射硬度大大提高。
另一个例子是在掺铒纤维中添加铈[14]。 这样，甚至可以制造出可以更好地耐受辐射的活性纤维。
氢、氘或氧负载
已经发现，用氢气（H2）或用氘通常会降低辐射敏感性[2，3]。 为此，纤维在高温下暴露在高压氢气中一段时间，使一些氢气扩散到玻璃中。 不幸的是，即使在室温下，氢也可能在短时间内再次从玻璃中扩散出来，而普通的聚合物涂层无法阻止这种情况。 因此，已经开发出某些金属涂层来防止这种影响。
还发现，在氢负荷后直接照射纤维会产生永久性的有益效果，即使氢以后可以从玻璃中扩散出来。
在纤维中装入氧气（O2）也被发现是有益的。 在这种情况下，室温下的扩散常数极小，因此以后的氧气损失通常在几年内不会发生到相关程度。
纤维拉丝
在某种程度上，还可以通过优化纤维拉伸工艺来实现改进，这或多或少会产生内置机械应力，这本身对某些缺陷的密度有影响。
辐射硬化的副作用
提高纤维抗辐射性的方法（例如应用额外的掺杂剂）通常称为辐射硬化。 其中一些措施可能会损害光纤的其他性能特征，但作为权衡的一部分可能是可以接受的。 请注意，某些辐射硬化措施的有效性在很大程度上取决于应用环境。
其他措施
根据具体情况，可能还有其他可能的措施可以缓解问题：
- 人们有时可以屏蔽光纤免受辐射，例如在核反应堆等极端辐射环境中，有效的辐射屏蔽是必不可少的。 屏蔽可能对光纤线圈特别有效，但对于光纤链路或分布式传感器中的细长光纤不太实用。
- 可以优化系统架构，从而降低对辐射效应的敏感性，例如通过使用较短的光纤。
- 可以在系统设计中加入额外的操作裕量，例如使用增强的数据发射器功率或增强的接收器，以便可以容忍更高的传播损耗。
性能预测
特别是对于太空任务或核设施等微妙应用，非常需要对辐射的影响进行可靠的预测。 不幸的是，由于各种原因，这通常很难实现。 因此，人们通常只能实现相对不确定的估计，并且需要大量的安全裕度来避免严重问题。 在这里，它显然有助于拥有经过有效辐射硬化程序的纤维。
量化辐射剂量
估计预期的辐射剂量通常并不容易。
接收到的辐射剂量通常以格雷=每千克接收材料（这里通常是二氧化硅）吸收的辐射能量焦耳为单位进行量化。 这不仅仅是衡量环境中有多少辐射的指标，因为它取决于纤维材料的吸收特性，而纤维材料的吸收特性本身取决于相关辐射的类型和能量。 例如，在一定时间的空间任务期间估计纤维的辐射剂量并非易事;考虑到它们在纤维材料中的吸收，需要将不同类型和能量范围的辐射的贡献相加。
在用中子等粒子照射的情况下，人们使用能量值 - 每单位面积接收的粒子数量。 此外，还需要指定颗粒类型和能量。
剂量率是单位时间内接受的剂量，例如以 Gy/s 或 Gy/d（每秒或天灰度）为单位。
在预期的辐射剂量方面可能存在很大的不确定性，例如，如果在核设施中使用纤维，则无法可靠地预测可能的核事故及其后果。
即使辐射剂量是确切已知的，也需要考虑到来自不同类型辐射的相同剂量会对纤维产生不同的影响。 因此，对一种辐射的测量效应可能无法完全预测对另一种辐射的反应。 （不幸的是，进行广泛的辐照测试几乎不切实际，例如不同量子能带的伽马辐射，以及不同光纤类型的所有辐射。
此外，重要的是某种辐射剂量是随着时间的推移缓慢累积，还是在短时间内通过强辐射发生，或者当辐射以一定的时间间隔闪烁以在两者之间恢复时。
可能需要非常不同的辐射硬度水平！
请注意，不同的应用涉及非常不同的辐射水平。 例如，空间卫星的剂量率相当低，例如低于10−3Gy/h，虽然通常具有很强的时间依赖性，但暴露时间可能超过多年，并且没有替代降解纤维的现实选择。 另一方面，某些高能物理实验可能导致超过1MGy/s的极端剂量率，而终生剂量可能不会大于太空任务。 因此，某些纤维可能被认为对一种应用非常耐辐射，而显然不适合另一种应用。
辐射效应的动力学
如前所述，辐射可以在纤维中引发复杂的动力学。 例如，可以产生某些微观缺陷，而其他缺陷可以转化为具有不同光学效果的形式。 不同过程的竞争会导致奇怪的响应类型，例如诱导衰减，最初上升然后再次减少。 同时，可以进行热激活过程。 这也引入了对环境温度的实质性依赖性，特别是在太空任务的情况下，环境温度可能会有很大变化。
辐射诱导效应的模型可能很难开发，因此它们具有很高的预测能力。
为了基于物理建模的可靠预测，需要开发相当复杂的模型，同时考虑到广泛的材料数据（其中一些非常微妙且难以可靠地评估）以及研究演变的时间依赖性剂量率和温度。 仅针对有限范围的病例，已经开发了具有强大预测能力的动力学模型。 一些简单的模型可以通过分析求解，导致剂量依赖性衰减，例如使用幂律或饱和指数函数。
纤维特性的一致性
不幸的是，可能无法始终保证纤维特性（包括与抗辐射性相关的纤维特性）完全一致，例如批次与批次之间的纤维特性。 这是因为这些特性可能取决于微量杂质，这些杂质在使用过的原材料中可能不是完全恒定的。 此外，例如，定期检查辐射诱导衰减率并不简单快捷。
因此，特别关键的应用，例如以后没有纠正错误的现实机会的空间任务，特别依赖于在纤维制造和质量控制方面精心设计和认真遵守的协议和实践。
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