Явтушенко Игорь Олегович

Разработка распределенной измерительной
системы на основе радиационно-устойчивых и
радиационно-чувствительных волоконных
световодов для диагностики состояния и
контроля режимов эксплуатации
энергетического оборудования
Руководитель проекта: д.ф.-м.н., проф. Светухин В.В.
Докладчик: Явтушенко И.О.
Мониторинг
с использованием
оптоволокна
Измерение дозы:
• мониторинг мест захоронения отработанного
ядерного топлива и территорий с ядерным
загрязнением
• контроль потока нейтронов в реакторах
• радиотерапия онкологических больных
• радиологические исследования
Измерение натяжения:
• мониторинг состояния сооружений и кабелей
• контроль надежности волоконно-оптических
систем связи
Измерение температуры:
• локализация утечек газа и жидкости в
трубопроводах
• контроль внутреннего блока реакторов
• системы пожарной безопасности на крупных
объектах
2
Цель проекта


Создание волоконных световодов с
уникальными характеристиками,
способных работать в условиях
повышенной радиации
Создание на основе разработанных
световодов распределенных волоконных
датчиков температуры и давления.
3
Предлагаемые подходы



Технология наводораживания и дополнительной
герметизации для радиационного упрочнения
световодов
Эффект вынужденного рассеяния
Мандельштама-Бриллюэна для контроля дозы
облучения, температуры и давления в световоде.
Эффект Брэгговского отражения в световодах
для контроля температуры и давления
4
Радиационно-стойкие
световоды
5
Оптическое поглощение, дБ/м
Сравнение наводороженных и
ненаводороженных световодов
4
10
3
1
0,1
2
0,01
1 - Св
2 - Св-H
3 - Св-H (2 кГр)
4 - Св (2 кГр)
1
1E-3
1000
1200
1400
1600
длина волны, нм
Спектры оптических потерь для световодов Св и Св-Н, измеренные до и через 4
месяца после γ-облучения дозой 2 кГр. Пунктирными линиями показаны спектры
РНП.
6
Относительная эффективность генерации, %
Оценка срока службы световодов
100
Обл.
Св-д
Доза облучения эксп.(расч.),
кГр
Время службы, лет
Накачка
на 1480 нм
Св
Св-H
~0.1(0.05)
0.5
~0.3(0.3)
1.5
Накачка
на 980 нм
~0.12(0.12)
0.6
~3(2)
15
- 20%
80
60
3
1
4
2
40
- Св
- Св-H
20
Накачка 100 мВт:
980 нм
1480 нм
0
0,1
1
10
доза облучения, кГр
Зависимость эффективности генерации эрбиевых световодов от дозы γ-облучения,
нормированная на значения до облучения. Символами показаны значения, измеренные через
3-6 месяцев после облучения и спустя ~ 10 минут работы световодов в резонаторе
волоконного лазера:(1),(2) – Св-Н; (3),(4) – Св; (1),(3) – накачка на 980 нм; (2),(4) – накачка 7
на 1480 нм. Линиями показаны результаты расчетов.
Factor δϕ/δτ
Phase shift, ∆φ/π
Мониторинг изменений b
матрицы активатора в
иттербиевых оптических
волокнах под действием
ионизирующего излучения
4
3
2
1
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
20 40 60 80 100 120 140
Pump pulse amplitude, mW
0
0
2000 4000 6000 8000 10000
Time, µs
8
Сложности использования
волоконных датчиков на основе
вынужденного рассеяния
Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ)



Сложность подбора химического состава волокна
удовлетворяющего требуемой чувствительности к
облучению
С накоплением радиационной дозы оптоволокно
становится менее чувствительным к излучению
Температура среды оказывает влияние на
радиационно-наведенное поглощение (РНП), что
отражается на оценке дозы радиационного
облучения
9
Световод с брэгговскими решетками
λ FBG = 2 ⋅ n ⋅ Λ
∆λ FBG (ε) = λ FBG ⋅ (1 − ρ) ⋅ ε
∆λ FBG (∆T ) = λ FBG ⋅ (α + ξ) ⋅ ∆T
Принцип работы волоконно-оптической брэгговской решетки
10
Система мониторинга
Полихроматор
11
Характеристики волоконнооптической измерительной
системы




Температурный диапазон -500С - +3000С
Температурное разрешение 0.50С
Диапазон измеряемых относительных
деформаций – 10-3
Стабильность работы при дозах облучения ~
100 Гр
12
Результаты




Проведена оптимизация химического состава и
математическое моделирование радиационно-стойких и
радиационно-чувствительных световодов
Разработаны алгоритмы расчета дозы по наведенному в
световоде поглощению
Проведены исследования изменений показателя
преломления в гамма - облученных световодах.
Экспериментально показана возможность
использования таких световодов для измерения
мощности дозы или полной дозы радиации, действию
которой подверглось оптическое волокно.
Разработана волоконно-оптическая система измерения
температуры и давления для объектов ядерной
энергетики.
13
Спасибо за внимание!
14
Система измерения температуры и
давления с помощью
бриллюэновских световодов
Осциллограф
Детектор
f0 - fB
Генератор
нс-имп 2
Ц3
Лазер
ИЗО1
~1550 nm
f0
ЭОМ 1
ИЗО2
fB
Генератор
нс-имп 1
Ц2
Ц1
f0
КП1
РЧ генератор
f0
СПМ
f0
ВО
90/10
f0 - fB
ЭУ 3
ЭУ 1
КП2
ЭОМ 2
ВР 2
ВР 1
волокно
ЭУ2
f0
f0 -fB
f0+fB
Контр.
выход 2
15