Устройство для контроля радиационной стойкости волоконных световодов

 

Использование: в измерительной технике, в частности при испытаниях и отборе волоконных световодов (ВС) по их радиационной стойкости, используемых в системах, на которые возможно воздействие ионизирующих излучений. Сущность изобретения: для повышения оперативности контроля радиационной стойкости ВС за счет уменьшения времени предварительной подготовки путем исключения из схемы измерения испытательной камеры, устройство содержит источники оптического излучения, работающие на длинах волн в "окне прозрачности" кварцевого ВС и пике поглощения, два фотоприемника, два усилителя, триггер, блок регистрации, ВС оптический мультиплексор, оптический демультиплексор, две разностных схемы, АЦП, источник опорного напряжения. В устройстве анализируется затухание в "окне прозрачности" ВС, затухание в пике поглощения, которое определяется концентрацией гидроксильных групп в материале исследуемого ВС, и по результатам анализа принимается решение о радиационной стойкости исследуемого ВС. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться при испытаниях и отборе по радиационной стойкости (РС) оптических кабелей (ОК) и волоконных световодов (ВС), используемых в системах, на которые ожидается воздействие ионизирующих излучений (ИИ).

При построении ряда волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) могут предъявляться жесткие требования к их РС. Примером могут служить ВОСП на таких объектах как АЭС, объекты с ядерными энергетическими установками, ускорители частиц и т.п. Создание таких систем предполагает знание реальных радиационно-оптических свойств ОК и ВС. Известно, что при воздействии ИИ в ВС происходит увеличение затухания, которое после воздействия со временем уменьшается практически до исходного значения. Величина этого наведенного затухания (НЗ) и скорость его спада по окончании облучения зависят помимо внешних условий и от типа ВС, состава его материала, технологии изготовления и др. [1].

Возникает проблема определения реальной РС ВС. Известен метод, который заключается в том, что исследуемые ВС, помещенные в испытательную камеру, облучаются ИИ с заданными параметрами (дозой и мощностью дозы), и наблюдается процесс изменения НЗ. Чаще всего облучение производится импульсным ИИ, и по характеру спада НЗ выносится суждение о РС. В качестве параметра РС в этом случае принимается длительность интервала времени, в течение которого НЗ превышает заданную величину, равную исходному затуханию.

Известно устройство [2], реализующее данный метод и содержащее источник оптического излучения, фотоприемник, усилитель, триггер, блок регистрации, причем выход фотоприемника соединен с входом усилителя, триггер подсоединен одним и другим выходами соответственно к аналоговым входам "Годен" и "Брак" блока регистрации, блок регистрации, кроме того, содержит узел отображения цифровой информации.

Недостатками данного устройства являются низкая оперативность и значительная стоимость испытаний вследствие наличия в схеме измерения РС ВС специальной испытательной камеры, дающей мощный поток ИИ и являющейся уникальной, дорогостоящей, стационарной установкой. В связи с этим возникают большие трудности практического использования установки многочисленными пользователями ВОСП. Для проведения контроля необходимо образцы определенной длины, достаточной для суждения о РС всего ВС, доставить к испытательной камере. Причем процесс транспортировки может занимать значительное время, определяемое пространственным разнесением пользователя ВОСП и места установки испытательной камеры. Доставленные образцы должны быть уложены в испытательную камеру, предварительно подготовленную к применению.

Таким образом, время, необходимое для проведения контроля РС ВС, Т_к = Т_пп + Т_нп + Т_и, где Т_пп - время предварительной подготовки, необходимое для транспортировки исследуемых образцов к месту проведения измерений; Т_нп - время непосредственной подготовки, необходимое для приведения испытательной камеры в рабочее состояние, укладки в камеру исследуемого ВС (ОК) и подготовки всех приборов к работе; Т_и - непосредственное время проведения измерений и анализа результатов, причем Т_пп >> Т_нп >> Т_и.

Таким образом, собственно время проведения контроля, равное сумме времен непосредственной подготовки и проведения измерений, намного меньше реального времени проведения контроля. Вследствие этого возникает задача сокращения времени контроля за счет уменьшения времени предварительной подготовки к измерению. Данная задача решается, если измерительные установки находятся непосредственно у пользователей ВОСП либо у изготовителя ВС. Однако вследствие использования испытательной камеры возникают значительные трудности, связанные с большой ее стоимостью и стационарностью установки, что препятствует решению вышеуказанной задачи.

Вместе с тем имеется возможность оценки РС ВС без использования сложной и дорогостоящей испытательной камеры. Такое решение технической задачи основано на использовании зависимости радиационно-оптических свойств кварцевых ВС от концентрации гидроксильных групп в материале световода. Установлено, что РС ВС в значительной степени определяется составом материала, из которого изготовлен ВС, в частности количеством гидроксильных групп. При возрастании концентрации гидроксильных групп РС ВС увеличивается. Количество гидроксильных групп можно оценить по величине затухания оптических сигналов в пике поглощения при сравнении с затуханием в соседнем "окне прозрачности". Наличие и величина пиков поглощения обусловлены присутствием гидроксильных групп в материале кварцевого ВС. Для оценки концентрации гидроксильных групп необходимо измерить "приращение затухания" в пике поглощения. Для этого производят измерение затухания ВС в пике поглощения и в "окне прозрачности", разность этих затуханий определяется концентрацией гидроксильных групп.

При наличии статистических сведений о зависимости РС конкретных типов ВС от концентрации гидроксильных групп в материале ВС, которые определяют пороговые значения приращения затухания, этот подход позволяет с помощью относительно дешевого прибора быстро и достаточно просто отобрать радиационно-стойкие ВС.

Цель изобретения - повышение оперативности контроля РС ВС за счет сокращения времени предварительной подготовки путем исключения из схемы измерения испытательной камеры.

Цель достигается тем, что в устройство введены дополнительный источник оптического излучения, оптический мультиплексор, последовательно соединенные оптический демультиплексор, дополнительный фотоприемник, дополнительный усилитель, первая и вторая разностные схемы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также источник опорного напряжения, причем исследуемый ВС подключен одним выводом к выходу оптического мультиплексора, соединенного входами с выходами источника оптического излучения и дополнительного источника оптического излучения, а другим выводом - к входу оптического демультиплексора, второй выход которого соединен с входом фотоприемника, выход усилителя подключен к второму входу первой разностной схемы, к второму входу второй разностной схемы подключен выход источника опорного напряжения, выход второй разностной схемы подключен к входу триггера, цифровые выходы АЦП подключены к входной шине блока регистрации.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит источник 1 оптического излучения, дополнительный источник 2 оптического излучения, оптический мультиплексор 3, исследуемый ВС 4, оптический демультиплексор 5, фотоприемник 6, усилитель 7, дополнительный фотоприемник 8, дополнительный усилитель 9, первую разностную схему 10, вторую разностную схему 11, источник 12 опорного напряжения, АЦП 13, триггер 14, блок 15 регистрации, содержащий индикатор 16 ГОДЕН, индикатор 17 БРАК и узел 18 отображения цифровой информации.

Источник 1 оптического излучения и дополнительный источник 2 оптического излучения подключены к двум входам оптического мультиплексора 3, исследуемый ВС 4 подключен одним выводом к выходу оптического мультиплексора 3, а другим выводом к входу оптического демультиплексора 5, к одному выходу которого подключены последовательно соединенные фотоприемник 6 и усилитель 7, а к другому выходу - последовательно соединенные дополнительный фотоприемник 8 и дополнительный усилитель 9. Входы первой разностной схемы 10 подключены к выходам усилителя 7 и дополнительного усилителя 9, входы второй разностной схемы 11 подключены к выходу первой разностной схемы и выходу источника 12 опорного напряжения, а ее выход подключен к входу триггера 14 и аналоговому входу АЦП 13, выходы которого подключены к входам узла 18 отображения цифровой информации блока 15 регистрации. Триггер 14 подсоединен одним и другим выходами соответственно к входам индикатора 16 ГОДЕН и индикатора 17 БРАК блока 15 регистрации. В качестве триггера используется триггер Шмитта. Варианты построения разностных схем широко известны (см. например, Горошков Б. И. Элементы РЭУ: справочник. - М.: Радио и связь, 1988, - 176 с.). Коэффициенты усиления приемных трактов на обеих длинах волн одинаковы.

При подготовке устройства к работе необходимо установить коэффициенты усиления усилителей, учитывающие во сколько раз длина исследуемого ВС больше расчетной длины ВС; используя индикацию узла 18 отображения цифровой информации, выставить напряжение на выходе источника 12 опорного напряжения для данного вида исследуемого ВС, определяющее порог отбраковки (на основе статистических сведений), при этом триггер 14 находится в нулевом состоянии, горит индикатор 7 ГОДЕН; подсоединить исследуемый ВС 4 к выходу оптического мультиплексора 3 и входу оптического демультиплексора 5.

Устройство работает следующим образом. Источник 1 оптического излучения выдает оптический сигнал на длине волны, соответствующей "окну прозрачности" кварцевого ВС, источник 2 оптического излучения выдает оптический сигнал на длине волны, соответствующей пику поглощения кварцевого ВС, величина которого определяется концентрацией гидроксильных групп. Оба оптических сигнала через оптический мультиплексор 3 поступают на вход исследуемого ВС 4, при распространении по которому претерпевают различные затухания, в результате чего напряжение на выходе фотоприемника 6 больше напряжения на выходе дополнительного фотоприемника 8, принимающих соответственно оптические сигналы на длинах волн в "окне прозрачности" и пике поглощения, разделенные оптическим демультиплексором 5. Так как усилитель 7 и дополнительный усилитель 9 имеют одинаковые коэффициенты усиления, то напряжение на выходе усилителя 7 больше, чем на выходе усилителя 9. Первая разностная схема 10 выделяет эту разницу напряжений, определяющую величину приращения затухания в пике поглощения, а вторая разностная схема 11 вычитает ее из напряжения источника 12 опорного напряжения, определяющего порог отбраковки ВС.

Если величина приращения затухания в пике поглощения, определяемая концентрацией гидроксильных групп в материале ВС, больше установленного порога, что соответствует большей РС исследуемого ВС, то напряжение на выходе разностной схемы 11 положительно. Триггер 14 находится в нулевом состоянии. При этом в блоке 15 регистрации горит индикатор 16 ГОДЕН. Узел 18 отображения цифровой информации индицирует значение разностного напряжения.

Если величина пика поглощения меньше установленного порога, то напряжение на выходе разностной схемы 11 отрицательно, триггер 14 переходит в единичное состояние. В блоке 15 регистрации гаснет индикатор 16 ГОДЕН и загорается индикатор 17 БРАК.

Технико-економический эффект предлагаемого устройства состоит в том, что использование его по сравнению с прототипом дает возможность не только повысить оперативность контроля за счет исключения из схемы измерения дорогостоящей испытательной камеры, требующей высококвалифицированного обслуживающего персонала, но и резко снизить стоимость испытаний. Кроме того, отпадает необходимость транспортировки исследуемых образцов от потребителей к испытательной камере, что связано с определенными затратами времени и материальных средств. Предлагаемое устройство исключает подготовительный этап и позволяет проводить оценку РС световодов в непосредственной близости от мест изготовления ВС. При этом для обслуживания устройства при контроле РС не требуется персонал высокой квалификации. Устройство может использоваться для отбора ВС с требуемой РС для ВОСП информации, используемых на объектах с ядерными энергетическими установками, АЭС, ускорителях частиц и т.п.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, содержащее основной источник оптического излучения, фотоприемник, первый и второй выводы для подключения исследуемого объекта, усилитель, триггер, блок регистрации, причем выход фотоприемника соединен с входом усилителя, триггер подсоединен одним и другим выходами соответственно к аналоговым входам "Годен" и "Брак" блока регистрации, отличающееся тем, что в него введены дополнительный источник оптического излучения, оптический мультиплексор, оптический демультиплексор, дополнительный фотоприемник, дополнительный усилитель, первая и вторая разностные схемы, аналого-цифровой преобразователь, а также источник опорного напряжения, причем первый и второй входы и выход оптического мультиплексора подключены соответственно к выходам основного и дополнительного источников оптического излучения и к первому выводу для подключения исследуемого объекта, второй вывод которого связан с входом оптического демодулятора, первый выход которого подключен к входу фотоприемника, а второй выход через последовательно соединенные дополнительные фотоприемник и усилитель связан с первым входом первой разностной схемы, второй вход и выход которой подключены соответственно к выходу усилителя и к первому входу второй разностной схемы, второй вход которой соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход - с входами триггера и аналого-цифрового преобразователя, цифровые выходы которого подключены к входной шине блока регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1