RU2302381C1 - Способ изготовления оптического волокна - Google Patents

Abstract

Предлагаемый способ изготовления оптического волокна относится к области производства волоконных световодов, используемых в оптических кабелях для передачи информации. Техническая задача изобретения - упрощение процесса изготовления оптического волокна, уменьшение размеров волокна и оптического кабеля. Сущностью заявленного способа является получение оболочки и сердцевины световода путем облучения заготовки волокна из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, потоком нейтронов со строго заданной глубиной их поглощения. 8 ил., 2 табл.

Description

Предлагаемый способ изготовления оптического волокна (ОВ) относится к области производства волоконных световодов, используемых в оптических кабелях для передачи информации.

Следует отметить следующие известные способы производства световодов, состоящих из сердцевины и оболочки, отличающиеся показателями преломления n /1, 2/:

1) первый способ предназначен для изготовления различных оптических волокон путем вытягивания сердцевины и оболочки световода с помощью двух тиглей, заполняемых расплавленным стеклом;

2) второй способ относится к одномодовому волоконно-оптическому волноводу с управляемой дисперсией, в нем предложены разные варианты изменения профиля распределения показателя преломления сердцевины для уменьшения энергетических потерь из-за четырехволнового смешения.

В первом случае, представлена стандартная методика изготовления широкого класса световодов, состоящих из стекла. Во втором случае, описаны разные способы получения более помехоустойчивого одномодового волокна. Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является первый способ изготовления ОВ, изложенный в /1/, который взят за прототип. Он осуществляется с помощью двух концентрированных платиновых тиглей. Каждый тигль имеет в своем основании центральное круглое сопло, причем внутреннее на 1-1,5 см выше внешнего. Внутренний тигль заполняется расплавленным стеклом, предназначенным для изготовления сердцевины, внешний заполняется расплавленным стеклом для изготовления оболочки световода с меньшим показателем преломления света для выполнения условия полного внутреннего отражения. Поток расплавленного стекла через внутреннее сопло вливается в поток расплавленного стекла оболочки, превращаясь на выходе внешнего лукообразного сопла в волоконный световод. Используемое стекло состоит из сверхчистого диоксида кремния, в которое добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления, например германий, фосфор для увеличения n, бор, фтор для уменьшения n /3/. К недостаткам этого способа следует отнести сложность изготовления и повышенную материалоемкость. В отличие от прототипа в предлагаемом способе изготовления оптического волокна используется одинарный тигль, заполненный расплавленным однородным стеклом, из которого вытягивают заготовку световода, облучаемую затем по всей длине потоком нейтронов с целью осуществления реакции поглощения нейтронов изотопами стекла. Облучение заготовки OB потоком нейтронов от ядерного реактора или другого источника может осуществляться после охлаждения и намотки на специальные катушки. Цель облучения - формирование более плотного центрального слоя (сердцевины) и менее плотного внешнего слоя (оболочки). Так, в результате реакции поглощения нейтронов происходит изменение изотопического состава стекла, проявляющееся в повышении процентного содержания более тяжелых изотопов в центре заготовки. Это равносильно упорядочению расположения различных изотопов стекла, которые в естественном состоянии находятся хаотически относительно друг друга.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, что используют заготовку световода из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, воздействуют по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения для упорядочения расположения изотопов стекла и образования слоя более плотной сердцевины с повышенным содержанием изотопов ²⁹SiO₂ и ³⁰SiO₂ и менее плотного слоя оболочки из преимущественно изотопов ²⁸SiO₂ c разными показателями преломления света n, обеспечивающими эффект полного внутреннего отражения, а именно: n_{сердцевины}>n_{оболочки}.

Техническим результатом изобретения является упрощение процесса изготовления OB, уменьшение размеров волокна и оптического кабеля, a также затрат исходных материалов.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в изготовлении ОВ путем обработки поверхности заготовки ОВ из чистого стекла потоком нейтронов. Последнее позволяет достичь в обработанной поверхности (оболочке) значение показателя преломления света n_об ниже, чем у показателя преломления центральной части (сердцевины) n_с и обеспечить распространение света по оптическому световоду.

Технология предлагаемого изобретения основывается на том, что вещества с разными изотопами имеют разные показатели преломления света /4/. Так, из экспериментальных исследований физических свойств различных материалов, например SiO₂, известно, что вещества, состоящие из разных изотопов, обладают относительной разницей постоянных кристаллической решетки Δd/d, равной 10^-3-10^-4. Согласно соотношению Клаузиуса-Мосоти число рассеивателей света в первом приближении в единице объема d (кристаллической решетки) пропорционально показателю преломления n.

Отсюда можно записать следующее соотношение:

Δn/n≈3·C·Δd/d,

где Δn/n - относительная разница показателей преломления вещества с разными изотопами;

С - константа, имеющая порядок единицы.

Согласно закону преломления Снеллиуса /3/ угол падения α и угол преломления β на границе сердцевины и оболочки световода определяются из соотношения (Фиг.1):

n_c·sinα=n_об·sinβ.

С учетом условия удержания луча в сердцевине (sinβ=1) критический угол падения α_кр равен:

α_кр=arcsin(n_об/n_с).

Можно подсчитать отношение показателей преломления сердцевины и оболочки для характерных значений n_об=1,46 и n_c=1,47 оптического волокна /3/, а именно:

(n_об/n_с)=(1,46/1,47)=0,993.

Отсюда значение критического угла:

α_кр=arcsin0,993=83,3°.

В предлагаемом способе относительная разница показателей преломления может составить:

(1-n_об/n_с)≈3·(10^-3÷10^-4), (n_об/n_с)≈0,997÷0,9997.

Следовательно, значение α_кр для световода, изготовленного новым способом, будет равно:

α_кр=85,6°÷88,6°.

Это значит, что величины критических углов оптических волокон, изготовленных предлагаемым способом и с помощью двойного тигля (Фиг.2), имеют один и тот же порядок.

Возможность использования облучения нейтронами заготовки волокна для получения полноценного ОВ объясняется свойствами нейтронов и ядерными реакциями, в результате которых образуется сердцевина ОВ. Прежде всего, это высокая проникающая способность нейтронов, которые являются незаряженными частицами. Поэтому им не требуется кинетическая энергия для прохождения кулоновского барьера при проникновении в ядро, и они могут взаимодействовать с ядрами вещества-мишени при разных энергиях Е_н /5, 6/. Известно, что при взаимодействии нейтронов с изотопами облучаемого вещества, например кремния, образуются возбужденные составные ядра. Для них существует несколько энергетически возможных путей распада, а именно:

1) излучение γ-квантов /реакция (н, γ)/;

2) рассеяние нейтронов /реакция (н, н)/;

3) испускание одной или нескольких частиц /реакция (н, 2н), (н, р), (н, α)/,

где н - нейтрон, р - протон, α - альфа частица.

Перечисленные выше реакции конкурируют между собой, и при определенных условиях осуществляется только одна из них. Реализация того или иного варианта распада составного ядра определяется природой облучаемого вещества и энергией нейтронов. Реакции, сопровождающиеся испусканием частиц н, р, α, являются эндоэнергетическими и проходят лишь под действием нейтронов, имеющих достаточно большую энергию Е_н порядка нескольких мегаэлектронвольт (МэВ). Ядерные реакции на медленных нейтронах называются экзоэнергетическими, сопровождаются выделением энергии Q и проходят при любых Е_н. Причем энергия и скорости нейтронов зависят от температуры среды. Наибольший практический интерес для получения оптического волокна представляют собой нейтроны с энергией Е_н в диапазоне 0,025÷1 эВ, которые называются тепловыми и соответствуют температуре 20°С (293 К) среды облучаемого образца. Тепловые нейтроны вступают в реакцию (н, γ) с ядрами вещества-мишени по следующей схеме:

где Z - атомный номер вещества,

A - массовое число,

γ - излучение, которое представляет величину освобожденной энергии Q, измеряемой в МэВ.

Уравнение ядерной реакции выражает баланс массы и энергии между компонентами, вступающими в реакцию и выходящими из нее. Энергия снимает возбуждение составного ядра, которое образуется в результате радиационного захвата нейтрона ядром-мишенью. Эта реакция всегда конкурирует с реакцией рассеивания через составное ядро. Выбор энергии нейтронов определяет, какая реакция будет доминировать.

Наиболее важным понятием для практических расчетов результатов ядерных реакций является сечение реакции G, например (н, γ), которое позволяет оценить процентное содержание полученных изотопов при облучении нейтронами различных материалов-мишеней. Сечение G - это полная вероятность взаимодействия нейтронов с облучаемыми ядрами. Несмотря на то, что вероятность - безразмерная величина, в ядерной реакции G обозначает площадь взаимодействия, измеряется в 1 барн =10^-24 см и имеет тот же порядок, что и размеры ядер-мишеней. Сечение реакции различно для каждого изотопа многоизотопного вещества. Сечение G зависит от энергии нейтронов. Для кремния энергетическая зависимость G=f(E_н) для различных температур представлена на Фиг.3. Для оценки характера распределения изотопов, получаемых в результате облучения нейтронами, по толщине образца вводится понятие макроскопического сечения μ=N·G (1/см), где N - число атомов вещества в 1 см³. Величина, обратная макроскопическому сечению, измеряется в см и обозначает среднюю длину поглощения l_n. Расстояние l_n характеризует среднюю величину пробега нейтронов от начала до момента поглощения ядрами-мишенями. Выбором соответствующей энергии тепловых нейтронов по Фиг.3 можно обеспечить преимущественное протекание реакции (н, γ) для кремния. Сравнительная характеристика эффективности поглощения нейтронов ядрами различных материалов приведена в табл.1 для образца объемом в 1 см³.

Таблица 1. Значения макроскопического сечения для различных материалов
№	Материал	Медленные нейтроны
		см	см
1	Si	0,008	125
2	Ge	0,25	4,0
3	GaAs	0,36	2,8
4	InSb	7,0	0,14
5	CdS	115	0,01

Как видно из табл.1, разные материалы обладают различными значениями μ, которые отличаются друг от друга на несколько порядков. Так, атомы германия обладают значительно большей способностью поглощения нейтронов, чем атомы кремния. При этом период полураспада радиоактивных изотопов германия, образующихся в результате облучения нейтронами, составляет примерно 76 дней (для кремния этот период равен 2,62 ч). Напротив, атомы кислорода обладают значительно меньшей способностью поглощения нейтронов, чем атомы кремния. Поэтому при облучении нейтронами заготовки OB, состоящей из диоксида кремния, основную роль в ядерных реакциях будут играть атомы кремния.

Ядерные реакции, в результате которых происходит упорядочение изотопов кремния в заготовке ОВ, протекают в несколько этапов, а именно сначала определенный процент изотопов ²⁸Si переходит в изотопы ²⁹Si, затем определенный процент этих изотопов превращается в изотопы ³⁰Si, а потом некоторая их часть переходит в нестабильные изотопы ³¹Si (табл.2).

Таблица 2. Ядерные реакции на медленных нейтронах для различных материалов
№	Материал	Изотоп	Концентр, изотопов в %	Сечение реакции в барн	Реакции и конечные продукты ядерных превращений
1	Германий	Ge	Естеств.	2,45 (смесь)
2		70Ge	20,55	3,42±0,35
3		72Ge	27,37	0,98±0,09
4		73Ge	7,67	14±1
5		74Ge	36,74	0,21±0,08
6		76Ge	7,67	50±10
7	Кремний	Si	Естеств.	0,16 (смесь)
8		28Si	92,18	0,08±0,03
9		29Si	4,71	0,28±0,09
10		30Si	3,12	0,11±0,01

Концентрация вновь образованных изотопов должна обеспечить достаточную величину относительной разницы показателей преломления сердцевины и оболочки, имеющую заявленный выше порядок. Для этого важно подобрать подходящие источники нейтронов, которые обеспечили бы необходимую энергию Е_н и интенсивность потока нейтронов φ (Фиг.3.). Такими источниками могут быть ядерные реакторы, в основе которых лежит процесс распада (деления) ядер урана на две части, сопровождающийся выделением значительной энергии. При делении ядра освобождаются два-три нейтрона, обладающие кинетической энергией Е_н порядка нескольких мегаэлектронвольт, и называемые быстрыми нейтронами. Освобожденные нейтроны, захватываясь другими ядрами вещества, могут вызвать их деление по следующей схеме /5, 6/:

,

где

- нейтрон;

- стронций;

- ксенон.

Такой процесс может иметь практическое значение, если удается осуществить цепную реакцию, т.е. вызвать быстрое нарастание процесса, уровень которого может устанавливаться экспериментатором.

В естественном уране, содержащим 99% ядер

, цепная реакция самопроизвольно не возникает. Однако изотоп урана

, присутствующий в природном уране в количестве 0,7%, делится как быстрыми, так и медленными нейтронами (Е_н<1 МэВ) с много большей вероятностью по сравнению с изотопами

. Поэтому в ядерных реакторах используют изотоп

. Ядерный реактор должен содержать следующие основные компоненты (Фиг.4, 5):

1) горючее вещество в виде урановых стержней;

2) замедляющее вещество для замедления быстрых нейтронов до тепловых нейтронов;

3) вещество, поглощающее нейтроны, для регулирования интенсивности процесса деления;

4) отражающее вещество для отражения нейтронов, стремящихся вылететь из активной зоны цепной реакции;

5) теплоноситель для отвода выделяющей энергии;

6) защитное вещество, поглощающее вредные для человека излучения, возникающие при делении ядер урана.

Эти излучения вызваны захватом тепловых нейтронов ядрами изотопа с образованием неустойчивого изотопа

, превращающегося в нептуний; и плутоний по схеме:

,

где

- электрон;

- нептуний;

- плутоний.

Плутоний сам способен делиться при поглощении нейтрона, освобождая значительную энергию. При правильно выбранном режиме реактор работает устойчиво. Возникающие при делении ядер нейтроны не все принимают участие в дальнейших делениях. Они могут замедляться, захватываться ядрами, не вызывая их деления, просто покидать реактор. Среднее число нейтронов, возникающих при каждом акте деления и участвующих в дальнейших делениях, называется коэффициентом размножения нейтронов К. Для развития цепной реакции К>1, для стационарного режима К=1, для прекращения К<1. При малейшем увеличении К реакция нарастает очень бурно. При К=1,005 число нейтронов уже через 1 с возрастает в 150 раз. Поэтому регулировка осуществляется автоматически с помощью специальных управляющих стержней из специального поглощающего материала. Если объем делящегося вещества небольшой, но имеет большую поверхность, через которую теряются нейтроны, то цепная реакция не возникает. Наименьшие размеры, при которых начинается цепная реакция, называются критическими. Ядерные реакторы делятся на гетерогенные, у которых топливо размещено в отдельные ячейки, и на гомогенные, где топливо и замедлитель смешаны в виде раствора соли урана в воде. Так, на Фиг.4 представлен вертикальный разрез ядерного реактора гетерогенного типа, где бак с тяжелой водой (замедлитель), урановые стержни (топливо), графитовый отражатель, диффузионная тепловая колонна из графита (поглощатель нейтронов), вентиляция для охлаждения реактора (теплоноситель), бетонная защита от вредных излучений, камера управления цепной реакцией. На Фиг.5 представлен горизонтальный разрез ядерного реактора гетерогенного типа, где урановые стержни в баке с тяжелой водой, графитовый отражатель, тепловая колонна, касательный канал выхода тепловых нейтронов, радиальный канал выхода нейтронов.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где

на Фиг.1 иллюстрируется закон преломления света Снеллиуса, который характеризует условия полного внутреннего отражения света;

на Фиг.2 изображен стандартный способ производства световодов с помощью двух концентрированных тиглей (прототип);

на Фиг.3 представлены зависимости сечения ядерной реакции кремния от энергии тепловых нейтронов при различных температурах тепловых нейтронов;

на Фиг.4 представлен вертикальный разрез ядерного реактора гетерогенного типа;

на Фиг.5 представлен горизонтальный разрез ядерного реактора гетерогенного типа;

на Фиг.6 изображен вертикальный срез заготовки ОВ, на которую падают потоки нейтронов;

на Фиг.7 представлены возможные размеры катушки с заготовкой ОВ, где l_к - длина катушки, D_к - диаметр катушки;

на Фиг.8 изображен способ двухстороннего облучения заготовки (вид сверху), где 1 - катушка с заготовкой ОВ, 2 - источник нейтронов.

Возможность изготовления волоконных световодов предложенным в заявке способом рассмотрим на конкретном примере. Так, для изготовления стандартного одномодового ОВ путем облучения пучком нейтронов нужно получить сердцевину диаметром D_с=10·10^-4 см и оболочку диаметром =125·10^-4 см /3/. Подсчитаем требуемые для этого размеры заготовки ОВ, параметры интегрального потока нейтронов, а также полученную относительную разницу показателей преломления сердцевины и оболочки, которая должна обеспечить условия полного внутреннего отражения света.

Так, на Фиг.6 изображен вертикальный срез заготовки ОВ 1, на которую падают пучки нейтронов 2 с заданной глубиной поглощения l_n. В результате ядерных реакций (н, γ) образуется оболочка ОВ 3 и сердцевина 4. Величина l_n характеризует глубину оболочки, для получения которой облучение заготовки нейтронами необходимо осуществлять с двух сторон. Поэтому величина макроскопического сечения поглощения μ равна:

Для расчета требуемого сечения поглощения G нужно найти объем оболочки OB V_об и количество атомов кремния N в этом объеме. Учитывая, что сечения сердцевины и оболочки имеют форму окружности, запишем выражение объема оболочки V_об:

,

где h - длина заготовки OB.

Так, после подстановки числовых значений диаметров сердцевины и оболочки получим:

С учетом того, что подсчитанная величина V_об - соответствует объему всей оболочки заготовки длиной h, а значение l_n определяется для одной стороны облучения, необходимо уменьшить V_об в два раза.

Отсюда число атомов кремния в оболочке заготовки OB N_об равно:

,

где

- число атомов кремния в 1 см,

А=28,0855,

- плотность кремния,

6,02·10²³ - число молекул в грамм-молекуле.

Таким образом, значение сечения реакции G можно определить из следующего уравнения:

μ=N_об·G.

С учетом значения μ получим:

0,01739·10⁴=3,07·10¹⁸·h·G.

Так как длину заготовки OB h можно изменять, выберем значение G по Фиг.3. Наиболее подходящим значением сечения реакции можно считать G=2,5 барн, соответствующее Т=293 К и Е=0,5 эВ, имеющее одинаковое значение для монокристаллов и поликристаллов кремния.

Отсюда длина заготовки OB h равна:

h=(0,01739·10⁴/3,07·10¹⁸·2,5·10^-24)=224,651 (км).

Такую длину заготовки 0В целесообразно наматывать на специальную катушку с последующим двухсторонним облучением нейтронами. Так, на Фиг.7 представлены возможные размеры катушки с заготовкой ОВ, где l_к - длина катушки, D_к - диаметр катушки. Примерные габариты катушки и вес можно оценить следующим образом. Если выбрать диаметр катушки D_к=3 м, то длину катушки можно рассчитать, как:

l_к=m·D_об, m=(h/3,14·D_к)=23848,

где m - число витков OB катушки,

D_об=125 мкм - диаметр заготовки ОВ.

Отсюда

l_к=23848·125·10^-6=2,981 (м)≈ 3 (м).

Вес заготовки Р=V_з·ρ,

где

- объем заготовки ОВ.

Отсюда Р=2755,5·2,35≈6,475 (кг).

На Фиг.8 изображен способ двухстороннего облучения заготовки (вид сверху), где 5 - катушка с заготовкой ОВ, 2 - источники нейтронов. Суммарная интенсивность облучения может быть достигнута с помощью стационарных и переносных портативных источников нейтронов. Из-за наложения расходящихся пучков нейтронов от разных источников нейтроны будут проникать в заготовку под разными углами к поверхности волокна и с учетом ее кривизны формировать круглообразную сердцевину. Современные реакторные технологии позволяют получить оптимальные схемы облучения сразу нескольких катушек.

Следующим этапом расчетов является оценка величины интегрального облучения заготовки ОВ, в результате которого изменится изотопический состав ее центральной части. Известно, что концентрацию изотопов кремния после облучения нейтронами можно подсчитать следующим образом /6/:

где N_oi - концентрация 1-го изотопа,

N_o - концентрация исходной смеси изотопов,

K_i - относительное содержание i-го изотопа в исходной смеси изотопов,

G_i - сечение поглощения i-го изотопа,

φ - интенсивность потока нейтронов,

t - время облучения.

Величина N_о в нашем случае равна единице, так как заготовка состоит только из изотопов диоксида кремния. Значение концентрации N_oi изотопа, получаемого в результате облучения нейтронами, обычно составляет доли процента от исходной концентрации N_о·K_i. В табл.2 приведены величины относительного содержания изотопов кремния в естественном состоянии, сечения поглощения каждого изотопа G_i, возможные варианты реакций и конечные продукты ядерных превращений. Как видно из этой таблицы, наибольший процент в смеси изотопов кремния имеет ²⁸Si.

Примем, что концентрация изотопа ²⁹Si, получаемого из ²⁸Si, путем облучения нейтронами, будет составлять:

где N_o·K_i=0,9218 - концентрация изотопа ²⁸Si в естественном состоянии.

После подстановки в формулу (1) выражения (2) получим, что величина интегрального потока нейтронов должна быть равна:

где G_i - сечение поглощения изотопа ²⁸Si.

Следовательно, требуемая величина интенсивности потока φ зависит от времени облучения t. Следует отметить, что время облучения можно разбить на отдельные промежутки. Главное, чтобы сумма этих промежутков была бы равна расчетному t. Если принять, что облучение будет вестись в течение месяца, то

Эта цифра соответствует интенсивности потока нейтронов, которую можно получить с помощью ядерных реакторов, используемых в промышленных установках. В настоящее время освоены и доступны различные источники нейтронов (переносные и стационарные с максимальной интенсивностью потока соответственно от

до

, которые могут быть использованы для облучения заготовки ОВ. Если использовать самые мощные ядерные реакторы с

, то время облучения t сократиться до 1,45 суток. Учитывая тот факт, что излучение нейтронами обладает свойством аддитивности (потоки от разных источников нейтронов складываются), для достижения требуемой величины φ можно использовать несколько источников нейтронов с меньшей интенсивностью.

На следующем этапе расчетов результатов облучения нейтронами заготовки OB необходимо оценить, как изменится показатель преломления центральной части заготовки OB. Для этого воспользуемся формулой Лорентц-Лоренца /7/, характеризующей молекулярную рефракцию, а именно:

где N - число атомов вещества в 1 см³,

a - поляризуемость молекулы вещества.

Если принять, что показатель преломления чистого стекла n=1,46 /3/, соответствующий оболочки ОВ, а также число

, то с учетом изотопического состава стекла можно оценить среднюю величину а_ср следующим образом:

Тогда

Величина поляризуемости характеризует поведение молекулы или атома вещества в переменном поле световой волны и имеет порядок куба их линейных размеров.

Для дальнейших расчетов нужно найти значения a_i каждого изотопа кремния. Так, учитывая относительную разницу постоянных кристаллических решеток для изотопов кремния (Δd/d)=10^-3, соотношение Клаузиуса-Мосоти, а также связь поляризуемости с размерами атомов, можно записать следующее уравнение:

где а₂₈ - поляризуемость изотопа ²⁸Si, a₂₅=a₂₈·1,003; a₃₀=a₂₈·1,006; К_i (i=28, 29, 30) - относительное содержание i-го изотопа в естественном состоянии кремния.

После подстановки значений K_i уравнение (4) будет иметь следующий вид:

Отсюда после сравнения выражений (3) и (4)' получим:

a₂₈=(а_ср/1,0004)=0,012980.

Чтобы написать аналогичное уравнение Лорентц-Лоренца для сердцевины заготовки ОВ, нужно на основании табл.2 подсчитать:

1) количество изотопов ²⁸Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотоп ²⁹Si с учетом сечения поглощения G₂₈=0,08 барн,

2) количество изотопов ²⁹Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотоп ³⁰S; с учетом сечения поглощения G₂₉=0,28 барн,

3) количество изотопов ³⁰Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотоп ³¹Si, с учетом сечения поглощения G₃₀=0,11 барн (нестабильный изотоп ³¹Si переходит в фосфор, который используется как легирующая добавка для уплотнения сердцевины /3/).

С учетом новых концентраций изотопов кремния изменения показателя преломления сердцевины можно найти из следующего уравнения:

где K'·100% - запланированный процент перехода одного изотопа в другой после облучения нейтронами (см. формулу (2)). С учетом двухстороннего облучения заготовки OB принимаем для всех изотопов K'=2·10^-4.

После подстановки соответствующих числовых значений имеем уравнение:

Округляя до четвертого знака после запятой, получим:

и окончательно

Сравнивая выражения (4)', характеризующее показатель n до облучения, и выражение (5), соответствующее показателю n после облучения, можно записать:

Отсюда

Таким образом, относительная разница показателей преломления света сердцевины и оболочки равна:

Полученная величина Δn/n имеет порядок, обеспечивающий удержание света в оптическом волокне /1, 2/. Детальный расчет молекулярной рефракции после облучения нейтронами молекул диоксида кремния, из которого состоит заготовка OB, может показать, что относительная разница показателей преломления сердцевины и оболочки окажется выше, чем у атомов кремния. В зависимости от величины интегрального облучения нейтронами и макроскопического сечения реакции, можно получить разные концентрации изотопов кремния, а следовательно, различные профили распределения показателя преломления света в волокне.

Источники информации

1) Дж.Э.Мидвинтер. Волоконные световоды для передачи информации. - М.: Радио и связь, 1983.

2) Поликарпов А.В. Одномодовый волоконно-оптический волновод с управляемой дисперсией и способ его изготовления (варианты). Патент 2178901.

3) Дональд Дж.Стерлинг. Техническое руководство по волоконной оптики. - М.: Лори, 1998.

4) М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. - М.: Наука, 1973.

5) Власов Н.А. Нейтроны. - М.: Наука, 1975.

6) Кертес Л. Введение в нейтронную физику. - М.: Атомиздат, 1965.

7) Волькенштейн М.В. Молекулярная оптика. - М - Ленинград.: Государственное изд-во технико-теоретической литературы, 1951.

Claims (1)

1. Способ изготовления оптического волокна путем вытягивания заготовки, отличающийся тем, что используют заготовку световода из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, воздействуют по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения для упорядочения расположения изотопов стекла и образования слоя более плотной сердцевины с повышенным содержанием изотопов ²⁹SiO₂ и ³⁰SiO₂ и менее плотного слоя оболочки из преимущественно изотопов ²⁸SiO₂ с разными показателями преломления света n, обеспечивающими эффект полного внутреннего отражения, а именно:

   n_{сердцевины}>n_{оболочки}.

Images