Efeito de radiação ionizante em sensores em fibra ótica

Abstract

As fibras óticas e as redes de Bragg em fibras óticas têm vantagens significativas para muitas aplicações em ambientes com radiação, seja como sensores de temperatura ou dosímetros. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento do impacto da radiação em diferentes tipos de fibras óticas e de sensores baseados em Redes de Bragg. Posto isto, investigamos o impacto da radiação sem carga (gama) e radiação de partículas carregadas (protões) na transmissão de três fibras óticas diferentes: fibra de sílica monomodo dopada com Boro e Germânio (PS1250/1500 da FiberCore), fibra de sílica multimodo dopada com Germânio (GIF625-100 da Thorlabs) e fibra polimérica CYTOP (GigaPOF-50SR da Chromis Fiberoptics). A dependência espectral da atenuação induzida pela radiação nas fibras foi investigada na gama espectral do UV, visível e infravermelho próximo (200 nm a 1100 nm). Todas as fibras demonstraram ser sensíveis aos dois tipos de radiação em alguma parte da gama espectral estudada. Também foram estudados os efeitos dos mesmos tipos de radiação em redes de Bragg inscritas nas fibras de sílica mencionadas (monomodo e multimodo). Para a radiação gama foi adicionalmente estudado os efeitos em duas redes de Bragg, operacionais em regiões espectrais diferentes (800 nm e 1550 nm), inscritas numa fibra ótica polimérica microestruturada de PMMA dopada com Benzildimethylketal. No caso da radiação gama, observou-se que todas as redes de Bragg são sensíveis à radiação, sendo as redes de Bragg em fibra polimérica apresentam uma sensibilidade superior. Pelo que no futuro pode ser explorado o potencial destas redes de Bragg para aplicações de dosimetria. No caso da radiação de partículas carregadas, observou-se os efeitos de duas energias diferentes do feixe de protões. Para ambas as redes de Bragg investigadas (em sílica monomodo e multimodo), no caso do feixe de menor energia observou-se um desvio negativo dos comprimentos de onda de Bragg e para a maior energia um desvio positivo. Sugere-se que no primeiro caso os efeitos da radiação são maioritariamente na bainha da fibra e no segundo no núcleo da fibra. Relativamente ao estudo com o feixe de maior energia, destaca-se o potencial destas FBGs para o desenvolvimento de um sensor multiparâmetros de temperatura e radiação.

Optical fibers and Fiber Bragg Gratings have significant advantages for many applications in environments with radiation, whether as temperature sensors or dosimeters. In this context, the present work aims to contribute to the knowledge of the impact of radiation on different types of optical fibers and Fiber Bragg Gratings based sensors. It was investigated the impact of uncharged radiation (gamma) and charged particle radiation (protons) on the transmission of three different optical fibers: single-mode silica fiber doped with Boron and Germanium (PS1250/1500 from FiberCore), multimode silica fiber doped with Germanium (GIF625-100 from Thorlabs) and CYTOP polymer fiber (GigaPOF-50SR from Chromis Fiberoptics). The spectral dependence of radiation-induced attenuation on the fibers was investigated in the spectral range of UV, visible and near infrared (200 nm to 1100 nm). The fibers showed sensitivity to both types of radiation in some part of the spectral range studied. The effects of the same types of radiation on Fiber Bragg Gratings inscribed on the aforementioned silica fibers (single-mode and multimode) were also studied. For gamma radiation, the effects on two Fiber Bragg Gratings, operational in different spectral regions (800 nm and 1550 nm), in a microstructured polymeric optical fiber of PMMA doped with Benzildimethylketal, were studied. In gamma irradiation, it was observed that all Fiber Bragg Gratings are sensitive to radiation, and those inscribed in polymeric fiber have higher sensitivity. Therefore, the potential of these Bragg gratings for dosimetry applications can be explored in the future. In charged particle irradiation, the effects of two different energies of the proton beam were observed. For both Fiber Bragg Gratings investigated (single-mode and multimode silica), in the case of the lower energy beam there was a negative shift of the Bragg wavelengths and for the higher energy a positive shift. It was suggested that in the first case the effects of radiation are mostly on the fiber cladding and in the second on the fiber core. Regarding the study with the highest energy beam, the potential of these Fiber Bragg Gratings for the development of a multiparameter temperature and radiation sensor is highlighted.