γ射線輻射對鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的影響

胡紅坤 鄭德晟

摘要

妮酸釵Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件進(jìn)行γ射線輻射效應(yīng)地面模擬實(shí)驗(yàn)，一方面通過檢測輻射前后器件參數(shù)的變化，分析了γ射線總劑量、劑量率與器件性能的相關(guān)性;另一方面通過在線監(jiān)測輻射總劑量累計過程中器件參數(shù)變化，分析器件對γ射線輻射的敏感性，以及器件性能與輻射總劑量的瞬態(tài)關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】鈮酸鋰 Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件 γ射線

基于Sagnac效應(yīng)的干涉型光纖陀螺 （IFOG）具有無運(yùn)動部件、工藝簡單、精度覆蓋面廣、動態(tài)范圍大、啟動快、壽命長、抗沖擊、耐過載等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、航海、兵器等軍事領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，引起世界各國的關(guān)注。目前航天運(yùn)載、空間載體和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)系統(tǒng)己成為光纖陀螺的重要領(lǐng)域和發(fā)展方向，在這些應(yīng)用中，高抗太空輻射能力是光纖陀螺的必然要求。鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件作為光纖陀螺的重要元件，其抗輻射能力直接影響著光纖陀螺的相關(guān)性能?，F(xiàn)階段，γ射線輻射研究為太空輻射模擬的重要項(xiàng)目，本文通過對鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件進(jìn)行γ射線地面模擬實(shí)驗(yàn)，研究其抗γ射線輻射能力。

1 理論分析

Y輻射是由核子蛻變過程中發(fā)射的一種電磁波。它的波長比X射線還要短，波長<0.1nm，這種射線具有很強(qiáng)的穿透能力。γ射線輻射源有反應(yīng)堆和鉆60等。鉆60（⁶⁰C_o）最常見，一般劑量率50rad（Si）/s及以下的γ射線輻射實(shí)驗(yàn)都是用它進(jìn)行。鈮酸ivy波導(dǎo)集成光學(xué)器件芯片材料為鈮酸鋰（其化學(xué)分子式為LiNbO3）鐵電氧化物基材料，當(dāng)γ射線入射到鈮酸鋰鐵電材料中，其對材料的損傷效應(yīng)主要表現(xiàn)為輻射電離效應(yīng)，是一種瞬時效應(yīng)，可產(chǎn)生初級電子、次級電子甚至三級電子。一般在材料中產(chǎn)生電子一空穴對所需的能量與入射粒子的種類無關(guān)，只與其禁帶寬度成正比，一般為禁帶的3倍。而鈮酸鋰屬于多晶結(jié)構(gòu)，絕緣材料，禁帶較寬，故鈮酸鋰材料的抗γ射線輻射能力較強(qiáng)。對于采用質(zhì)子交換退火工藝制備出光波導(dǎo)的Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件來說，γ射線改變了波導(dǎo)內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)和原子分布，改變了波導(dǎo)及其附近鈮酸鋰晶體襯底的原有折射率分布，降低波導(dǎo)對光的束縛能力，在器件性能參數(shù)的反映就是插入損耗與分光比的變化。定量的描述γ射線輻射造成的輻射損傷，須考慮γ射線輻射的入射能量強(qiáng)度和輻射注量?？梢圆捎忙蒙渚€輻照實(shí)驗(yàn)前后，測試器件插入損耗與分光比的變化，得出不同能量等級的γ射線輻射和器件性能參數(shù)變化的關(guān)系，以及不同的γ射線輻射注量和器件性能參數(shù)變化的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)方法

γ射線輻射實(shí)驗(yàn)分為輻射移地測試實(shí)驗(yàn)和輻照在線測試實(shí)驗(yàn)。

輻射移地測試實(shí)驗(yàn)，就是器件經(jīng)過一定劑量的輻射后，移除輻射源一段時間后，對器件性能參數(shù)進(jìn)行測試。用以考察輻射對器件的長期影響，以及是否造成永久損傷。這種實(shí)驗(yàn)，只需要將器件準(zhǔn)備好寄給實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)就可以了，實(shí)驗(yàn)完成后，寄回來再測試。這種實(shí)驗(yàn)的好處當(dāng)然是簡便，但是只能考察器件是否存在永久損傷，對于器件在輻射條件下地工作情況無從觀測。需要提供的實(shí)驗(yàn)條件有兩條：總劑量krad（Si）和劑量率rad（Si）/s。目前我們器件的實(shí)驗(yàn)一般在一百到數(shù)百千rad/si（100krad（Si））這個水平。劑量率就是單位時間每秒的輻射劑量，用來表征輻射的強(qiáng)度，一般用到10rad（Si）/s，50rad（Si）/s這樣的等級。

輻照在線測試實(shí)驗(yàn)，就是在器件受到輻射的同時進(jìn)行實(shí)時在線的參數(shù)測試的實(shí)驗(yàn)。用以考察器件在輻射情況下的瞬態(tài)影響和實(shí)時反映。這種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行起來相對復(fù)雜，必須攜帶幾乎全套的測試設(shè)備儀器和工具前往實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)，后面會詳細(xì)介紹這種實(shí)驗(yàn)的情況。需要的實(shí)驗(yàn)條件首先是劑量率rad（Si）/s，劑量率可以是一個固定的值，然后進(jìn)行一定時間或者一定總劑量的實(shí)驗(yàn);也可以用劑量率作為變量來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 γ射線輻射移地測試實(shí)驗(yàn)

我們累計對超過26只鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件進(jìn)行了γ射線輻照移地測試實(shí)驗(yàn)，其中26只得到了有效數(shù)據(jù)，見表1。分別采用不同的輻射總劑量、劑量率、器件接受輻射的方式（器件狀態(tài)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。輻射源⁶⁰C_o，輻射總劑量分100Krad（Si）和300Krad（Si）兩個量級進(jìn)行。輻射的劑量率分10rad（Si）/s和50rad（Si）/s兩個量級進(jìn)行。在輻射總劑量100Krad（Si）的情況下，器件接受輻射的方式，及器件狀態(tài)分為器件狀態(tài)1：器件封裝完整，2：器件未封裝，LiNbO3芯片直接暴露于γ射線輻照下。實(shí)驗(yàn)前、后對器件光電參數(shù)進(jìn)行測試，比較器件參數(shù)實(shí)驗(yàn)前后的變化。

通過表1可以看出在100Krad（Si）～300Krad（Si）這個量級水平下，γ射線輻照總劑量的變化，對器件光電參數(shù)變化（插入損耗、分光比、串音、半波電壓）影響不明顯。在總劑量限定在100Krad（Si）的情況下，10rad（Si）/s～50rad（Si）/s這個量級水平的γ射線輻照劑量率變化，對器件光電參數(shù)變化（插入損耗、分光比、串音、半波電壓）的影響也不明顯。相同總劑量情況下，實(shí)驗(yàn)器件的芯片是否直接暴露在射線下，對器件插入損耗有一定的影響，但差別還是在一個很小的范圍內(nèi)（小于0.1dB）。

綜上所述，在γ射線輻射總劑量300Krad/Si以內(nèi)，Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件接受不同的輻射實(shí)驗(yàn)后，經(jīng)過一定的時間后其光電參數(shù)變化（插入損耗、分光比、串音、半波電壓）很輕微，對于器件的永久性損傷較小。且以上實(shí)驗(yàn)，由于其實(shí)驗(yàn)樣品只數(shù)較少，對于丫射線輻射實(shí)驗(yàn)與Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件光電參數(shù)（插入損耗、分光比、串音、半波電壓）之間的關(guān)系及總劑量和劑量率與器件性能的相關(guān)性僅做粗略分析。

3.2 γ射線輻射在線測試實(shí)驗(yàn)

上述移地測試實(shí)驗(yàn)在γ射線輻照完成后才測試器件參數(shù)，不能表征γ射線輻射對器件的瞬態(tài)影響，因此我們開展了y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的γ射線輻照在線測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，y波導(dǎo)集成光學(xué)器件置于鉆輻射源前接受輻照，光源和光探測器置于鉛磚墻后，它們之間由光纖連接。光探測器輸出的電信號由電信號線通過位于屏蔽墻上的電接口輸出到外部的數(shù)字電表上，測試中記錄光探測器輸出的電位值，再轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光功率。γ射線輻射總劑量每提高10Krad/Si，記錄一次光輸出的電位值，總劑量范圍為0Krad/Si～200Krad/Sio

下面是通過統(tǒng)計分析軟件MiniTab對下射線輻射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合得出的插入損耗與分光比的變化趨勢曲線：

從圖1到圖2可以看出，γ射線輻照對Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件產(chǎn)生瞬時電離效應(yīng)，且隨著劑量的增加，使器件的插入損耗逐漸增大（其總變化量仍很小，小于0.13dB），對器件的分光比幾乎無任何影響（分光比變化量均小于0.05%）。在γ射線輻照總劑量200Krad/Si范圍內(nèi)，隨著輻射總劑量的增加，器件的插入損耗增加的速度逐漸變?。ň唧w見圖2），根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析該只器件的插入損耗在3.2dB達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)Alvin S.Kanofsky等人的研究，當(dāng)質(zhì)子交換的LiNbO3光波導(dǎo)接受到的γ射線輻照達(dá)到一定總劑量D_m以后，插入損耗增大的速度將會降低到一個很低的水平，進(jìn)入一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過對鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件進(jìn)行γ射線輻射效應(yīng)地面模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行移地測試和在線測試幫助我們進(jìn)一步認(rèn)識γ射線輻射對器件的影響。在0～300Krad/si的總輻射劑量范圍內(nèi)，γ射線輻射對器件的插入損耗、分光比、串音及半波電壓影響很小。隨著輻射劑量的增大和輻射強(qiáng)度的增加（小于200Krad/si），鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的插入損耗也隨之進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此采用鈮酸鋰襯底，質(zhì)子交換退火工藝制作芯片的鈮酸鋰Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件，具有較強(qiáng)的抗γ射線輻射能力。

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