胡紅坤 鄭德晟

摘要

妮酸釵Y波導集成光學器件進行γ射線輻射效應地面模擬實驗，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)關系。

【關鍵詞】鈮酸鋰 Y波導集成光學器件 γ射線

基于Sagnac效應的干涉型光纖陀螺 （IFOG）具有無運動部件、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，在航空、航天、航海、兵器等軍事領域具有廣闊的發(fā)展前景，引起世界各國的關注。目前航天運載、空間載體和戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器制導系統(tǒng)己成為光纖陀螺的重要領域和發(fā)展方向，在這些應用中，高抗太空輻射能力是光纖陀螺的必然要求。鈮酸鋰Y波導集成光學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性能。現(xiàn)階段，γ射線輻射研究為太空輻射模擬的重要項目，本文通過對鈮酸鋰Y波導集成光學器件進行γ射線地面模擬實驗，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，這種射線具有很強的穿透能力。γ射線輻射源有反應堆和鉆60等。鉆60（⁶⁰C_o）最常見，一般劑量率50rad（Si）/s及以下的γ射線輻射實驗都是用它進行。鈮酸ivy波導集成光學器件芯片材料為鈮酸鋰（其化學分子式為LiNbO3）鐵電氧化物基材料，當γ射線入射到鈮酸鋰鐵電材料中，其對材料的損傷效應主要表現(xiàn)為輻射電離效應，是一種瞬時效應，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，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構，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。對于采用質子交換退火工藝制備出光波導的Y波導集成光學器件來說，γ射線改變了波導內部的晶格結構和原子分布，改變了波導及其附近鈮酸鋰晶體襯底的原有折射率分布，降低波導對光的束縛能力，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度和輻射注量。可以采用γ射線輻照實驗前后，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)變化的關系。

2 實驗方法

γ射線輻射實驗分為輻射移地測試實驗和輻照在線測試實驗。

輻射移地測試實驗，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。這種實驗，只需要將器件準備好寄給實驗機構就可以了，實驗完成后，寄回來再測試。這種實驗的好處當然是簡便，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。需要提供的實驗條件有兩條：總劑量krad（Si）和劑量率rad（Si）/s。目前我們器件的實驗一般在一百到數(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，用來表征輻射的強度，一般用到10rad（Si）/s，50rad（Si）/s這樣的等級。

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

3.1 γ射線輻射移地測試實驗

我們累計對超過26只鈮酸鋰Y波導集成光學器件進行了γ射線輻照移地測試實驗，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)）進行實驗。輻射源⁶⁰C_o，輻射總劑量分100Krad（Si）和300Krad（Si）兩個量級進行。輻射的劑量率分10rad（Si）/s和50rad（Si）/s兩個量級進行。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。實驗前、后對器件光電參數(shù)進行測試，比較器件參數(shù)實驗前后的變化。

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，實驗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（小于0.1dB）。

綜上所述，在γ射線輻射總劑量300Krad/Si以內，Y波導集成光學器件接受不同的輻射實驗后，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。且以上實驗，由于其實驗樣品只數(shù)較少，對于丫射線輻射實驗與Y波導集成光學器件光電參數(shù)（插入損耗、分光比、串音、半波電壓）之間的關系及總劑量和劑量率與器件性能的相關性僅做粗略分析。

3.2 γ射線輻射在線測試實驗

上述移地測試實驗在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波導集成光學器件的γ射線輻照在線測試實驗。實驗過程中，y波導集成光學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，再轉換為相應的光功率。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對下射線輻射實驗數(shù)據(jù)進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波導集成光學器件產(chǎn)生瞬時電離效應，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，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小（具體見圖2），根據(jù)實驗結果分析該只器件的插入損耗在3.2dB達到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)Alvin S.Kanofsky等人的研究，當質子交換的LiNbO3光波導接受到的γ射線輻照達到一定總劑量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，進入一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這與我們的實驗結果一致。

4 結論

通過對鈮酸鋰Y波導集成光學器件進行γ射線輻射效應地面模擬實驗，進行移地測試和在線測試幫助我們進一步認識γ射線輻射對器件的影響。在0～300Krad/si的總輻射劑量范圍內，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度的增加（小于200Krad/si），鈮酸鋰Y波導集成光學器件的插入損耗也隨之進入相對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此采用鈮酸鋰襯底，質子交換退火工藝制作芯片的鈮酸鋰Y波導集成光學器件，具有較強的抗γ射線輻射能力。

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