**论文标题翻译** γ辐照对标准单模掺锗光纤Verdet常数的影响

《Photonics》：Gamma Irradiation Effect on the Verdet Constant of Standard Single-Mode Ge-Doped Optical Fibre Andrei Gusarov, Dmitry Terentyev and Marc Wuilpart

　　

**摘要翻译**
光纤被认为是适用于存在辐照暴露的各种核环境的应用选择。在辐照下，光纤的性能会发生改变。本文研究了γ辐射对康宁SMF-28e光纤磁光特性的影响。Verdet常数的稳定性是在辐照下进行电流测量的一个重要要求，例如在磁聚变装置中氘-氚（D-T）等离子体运行期间，其累积辐照剂量可达兆戈瑞（MGy）量级。研究结果表明，对于高达770 kGy的γ辐射剂量，Verdet常数的辐照诱导变化处于其测量精度（0.56%）范围内。

**论文解读**

**研究背景与问题**
光纤因其高灵敏度、抗电磁干扰和体积小等优点，被考虑应用于多种存在辐照场的环境，如太空、核医学、高能物理、核聚变及裂变能发电。然而，辐照会复杂地改变暴露光纤的性能。其中，研究最深入的是辐照诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation, RIA），因为它直接削弱光纤传输能力，影响基于强度的测量。然而，其他参数的变化同样值得关注，例如折射率的改变可能损害基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）器件的性能。本研究的背景直接源于光纤在磁聚变装置中用于等离子体电流测量的需求。光纤电流传感器（Fiber-Optic Current Sensor, FOCS）目前已被应用于包括托卡马克装置内部安装在内的实验装置中。在未来的核运行设施中，传感光纤将暴露于极为严酷的辐照环境。例如，在国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）中，预期的FOCS全寿命周期累积γ辐射剂量在10 MGy量级。FOCS的工作原理基于磁光法拉第效应（Faraday Effect），即光在磁场H作用的光学介质中传播时产生圆双折射。线性偏振光在介质中传播时，其偏振面会旋转一个角度，该角度与轴向磁场（磁场H沿传播轴的分量）强度和相互作用长度成正比。对于围绕电流形成环路的光纤，根据安培定律，总偏振旋转角θ与包围的电流I成正比。对于理想的无线性双折射光纤，旋转角定义为θ=VI，其中V为Verdet常数。由于光纤的折射率会被电离辐射改变，因此辐照也将改变Verdet常数的值。这种变化的幅度强烈依赖于玻璃的化学组成。从电流测量的角度看，Verdet常数的改变会导致系统误差，而对此误差的修正相当复杂，因为辐照的影响取决于剂量率、辐照历史以及辐照期间的温度变化等多种因素。此前，关于光纤Verdet常数辐照诱导变化的系统性研究很少。Y. Kim等人报道了在1.2 kGy剂量下，SMF-28e光纤的Verdet常数在1310 nm处增加了1.3%。J. Wen等人则报告了在1 kGy剂量后，SMF-28e+光纤在980 nm处Verdet常数增加了约20%。这两个结果存在显著差异，且即使是1.3%的变化，对于像ITER这样的聚变反应堆中安装的FOCS也是显著的。因此，本研究旨在系统评估康宁SMF-28e光纤在高达770 kGy、与ITER运行条件相关的γ辐照剂量下的Verdet常数稳定性，以确认其在核环境中用于电流测量的适用性。

**主要技术方法**
研究人员在比利时SCK CEN的Brigitte辐照设施中，以5.75 kGy/h的剂量率对长度约6米的康宁SMF-28e+光纤样品进行γ辐照，累积剂量分别为1、3、10、100和770 kGy。辐照在27–29 °C的空气中进行，光纤松散盘绕，无额外应力。辐照结束两个月后（以评估长期永久变化），在控制温度（21.0 ± 0.1 °C）的条件下测量Verdet常数。测量系统使用1546.5 nm激光光源，光纤在总长约2.72米、可产生0.26 T磁场变化的串联螺线管中形成闭合回路，并以法拉第镜作为末端反射器，通过测量偏振旋转角来确定Verdet常数。

**研究结果**
* **测量设置与误差分析**：Verdet常数测量系统如图1所示。通过精确控制磁场电流和温度，并利用先进偏振仪分析偏振态，研究团队确定了系统的相对测量误差。其中，偏振旋转角测量的贡献约为±0.56%，电流测量贡献约为0.1%，总误差主要由此决定。
* **辐照实验结果**：对未辐照和辐照后样品的测量结果总结于图2中。结果表明，对于高达100 kGy的γ辐射剂量，SMF-28e光纤Verdet常数的变化无法被检测到。对于770 kGy剂量，可以观察到一个微小的增加趋势，但其值仍在测量不确定度范围之内。未辐照样品的长期测量重复性在±0.5%以内，同一天内多次测量的最差标准差为0.35%。
* **讨论与机理分析**：研究人员认为，观察到的结果与先前一些报道存在差异。文献中提出的自陷空穴中心（Self-Trapped Hole, STH）或锗电子中心（Germanium Electron Center, GEC）等缺陷模型可能无法完全解释，因为STH在室温下不稳定，且SMF-28e中Ge相关缺陷浓度在100 kGy剂量下远未饱和。通过贝克勒尔（Becquerel）方程进行理论估算表明，基于已知的辐照诱导折射率变化（dn/dD < 10??n [1/Gy]），即使在770 kGy的最大剂量下，Verdet常数的理论变化也应小于0.1%，这与实验结果相符。文献中报道的较低Verdet常数绝对值可能暗示测量受到了线性双折射的影响。辐照可能导致光纤涂覆层硬化，从而引入应力双折射。但本研究中光纤在无张力下辐照，避免了此额外双折射的产生。此外，本研究选择在辐照两个月后测量，以评估适用于ITER长期运行场景的永久性变化，并避免因辐照后短期恢复动力学差异导致的剂量间不可比性。这可能是本研究结果与一些先前研究不同的原因之一。

**研究结论**
本研究系统地评估了γ辐照对康宁SMF-28e光纤Verdet常数的影响。研究证实，在高达770 kGy的γ辐射剂量下，该光纤的Verdet常数变化量处于±0.56%的测量精度范围内。这一稳定性结果为基于二氧化硅的光纤在核环境中用于光纤电流传感器提供了令人鼓舞的依据。