光纖傳感器在輻射環境中的應用研究進展

李惠， 趙慶超， 張發祥， 馬龍， 倪家升，彭綱定

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014)

相較于煤和石油等常規能源，核電站不僅能提供保持碧水藍天的清潔能源，而且其能量轉化率很高。與此同時，核磁共振、CT等醫療手段給人類健康帶來了新的福音。然而，福島核電站泄露等事件對人類造成的卻是難以抹去的傷痛，對輻射環境中的物理量的觀測勢在必行[1-3]。核輻射環境與一般常用的環境有很大的區別，其溫度相對較高、化學組成復雜，具有較強的電磁干擾和核輻射影響，所以常規電子傳感器在核輻射環境中的應用受到極大的限制。

20世紀90年代發展起來的光纖傳感器，由于其抗電磁干擾、高靈敏度、高精度、尺寸小、重量輕和易于復用等優勢，在各大行業都具有潛在的應用價值，特別是在傳統電子傳感器應用受限的油田、煤礦、電力、核電站等惡劣環境中[4-6]，其中最具有代表性的有光纖布拉格光柵傳感器、光纖法布里-珀羅傳感器和分布式光纖傳感器[7-11]。本文闡述了這3種傳感器的原理，分析了核輻射對其性能的影響，對輻射影響的作用機理進行分析，以期促進光纖傳感器在核輻射環境中更廣泛的應用。

1 光纖傳感器原理

光纖傳感器利用光纖本身作為物理量“傳”和“感”的載體，外界溫度等信息通過影響光纖中傳輸的光信號的變化感知外界環境，其中最為常見的有光纖布拉格光柵傳感器、分布式光纖傳感器和光纖法布里-珀羅傳感器3種。根據傳感原理的不同，光纖布拉格光柵傳感器多用于單點溫度和應變的測量，分布式光纖傳感器用于整個光纖溫度、振動的測量，光纖法布里-珀羅傳感器用于單點溫度和壓力的測量。

1.1 光纖布拉格光柵傳感器原理

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)是一種可以反射特定波長光的光學濾波器件[7-8]，特定光波長λB滿足布拉格定律，且與待刻寫光纖的有效折射率neff和光柵的刻寫周期ΛG有關[12]。光柵的刻寫有干涉曝光、相位掩模板直接寫入、遮擋法、二次曝光等方法，其中以相位掩模板方法最為常用[13]。按照光柵刻寫過程采用的激光可將相位掩模板方法制成的光柵分為I型、II型和再生光柵[14-15]，其中I型光柵應用最為廣泛[12]。

FBG的布拉格波長受光柵周期ΛG和纖芯有效折射率neff影響，而溫度的改變和應變會對這兩個參數產生影響，可用公式(1)進行表述：

(1)

式中,α為FBG的熱膨脹系數，ζ為光纖的熱光系數，ΔT為環境溫度的改變量，Pe為光柵有效彈光系數，ε為FBG所受軸向應變[16]。由公式(1)可知，當FBG所處的環境溫度發生改變或發生應變時，光柵的布拉格波長也將隨之變化，而光柵波長可以通過光譜分析得到，再通過解調可以將FBG的波長變化轉變為溫度和應變，從而實現溫度和應變的傳感。

1.2 分布式光纖傳感器原理

光在介質中傳播時，會與介質中的成分發生相互作用，造成光的傳播方向發生偏移，該過程稱為光的散射。按照散射光與入射光的頻率關系可將其分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射[17]，分布式光纖傳感系統就是基于光在光纖中發生的光散射現象。

對于光纖系統，當外界參數如溫度、擾動發生變化時，后向傳輸的散射光信號也將發生變化，這種現象被用來制作傳感器。結合光時域反射原理，光在光纖中傳輸時反射光光強會呈現與光纖距離一一對應的關系，而光強又受到溫度、壓力等參數的調制，通過解調可以實現光纖距離與溫度等物理量的對應，當光纖某一點物理量發生變化時，反射光強也將發生變化并呈現在系統的光譜圖上，從而得以對物理量進行表征。基于光的散射理論，分布式光纖傳感系統可分為基于瑞利、布里淵和拉曼散射的3種傳感系統，根據所受調制的物理量可分為分布式溫度傳感器(distributed temperature sensing, DTS)、分布式振動傳感器(distributed vibration sensing, DVS)和分布式聲波傳感器(distributed acoustic sensing, DAS)等。

1.3 光纖法布里-珀羅傳感器原理

光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot, FP)傳感器基于法布里-珀羅干涉，即兩個正對放置的光纖端面間的多光束干涉，反射回的光譜信號受腔長的影響，而腔長又受外界溫度、壓力等物理量的影響，故也可以用作光纖傳感器[9,11]。由于法布里-珀羅腔對壓力更為敏感，多用于壓力傳感，特別是生物傳感領域。

2 光纖傳感器在核輻射環境中的應用研究進展

核輻射主要包括3種類型：α衰變、β衰變和γ躍遷，按照順序3種輻射對人體的傷害逐漸增大，研究對象主要集中于中子輻射和γ輻射兩種，本文所提到的核輻射就以這兩種輻射為主。核輻射對光纖傳感器的影響主要表現在對光纖本身的影響上，核輻射會使光纖材料發生變化，造成其中傳輸信號的大幅衰減，從而影響核輻射中光纖傳感器的傳輸距離。

2.1 光纖布拉格光柵傳感器在核輻射環境中的應用

核輻射對FBG傳感器的影響主要表現在輻射引起的損耗(radiation induced attenuation, RIA)和布拉格波長漂移(radiation induced Bragg wavelength shift, RI BWS)兩方面。2001年Fujita小組[16]利用相位掩模板方法在摻Ge的石英光纖上制備FBG并將其置于γ輻射中，通過測量FBG的布拉格波長λ隨輻射劑量的漂移來表征輻射對FBG的影響，其波長隨γ輻射量的改變如圖1a所示。

圖1 布拉格波長隨γ輻射劑量和溫度的變化[18-19]Fig.1 Bragg wavelength shift with variations of γ radiation dose rate and temperature [18-19]

圖1a所示為該FBG波長隨γ輻射劑量發生漂移的情況，可以看出布拉格波長隨輻射劑量的增加呈現一定的波動性，隨著輻射劑量接近250 kGy，其波長變化出現可逆的變化趨勢，波長漂移不明顯的主要原因是250 kGy還不足以造成光柵的破損，且光柵制備完成后經過了50 ℃的退火，該過程鈍化了光柵中的缺陷，從而使得光柵的有效折射率沒能發生顯著變化。隨后他們對輻射量40 kGy后的FBG進行了溫度系數測試，測試結果如圖1b所示，可以認為經過γ輻射后，FBG在40～80 ℃的溫度變化過程中，波長的溫度上行和下行基本滿足線性關系，輻射前后波長的溫度系數分別為8.9和9.4 pm/℃，可以看出γ輻射對FBG有一定的影響，輻射使得光柵的溫度系數增加，給后續溫度傳感過程中溫度的測量帶來誤差。

隨后Fernandez小組[18-20]對幾組不同的光柵在不同輻射下的波長漂移情況進行分析，結果如圖1c所示。文中對1～7號FBG選用1～ 25 kGy/h的輻射速率進行γ輻射，從圖中可以看出不同的輻射速率對FBG的影響有很大區別，其波長變化總體呈現紅移趨勢，原因為光柵不受紫外光照射部分經γ輻射之后有效折射率增加，且輻射劑量越大，效果越明顯；輻射停止后，FBG波長的改變有一定的恢復，但恢復量極小，說明輻射對FBG波長的影響具有不可逆性，但輻射后FBG的溫度系數沒有明顯的變化。該小組還表征了不同種類的光纖，結果表明光敏光纖上刻寫的FBG在核輻射下具有最小的布拉格波長移動和穩定的光譜特性，是一種耐輻射光纖。

隨著研究的逐漸深入，研究人員不再局限于純硅光纖，摻F等各種摻雜光纖也被用來制作布拉格光柵。2006年Fernandez研究小組[20]利用Ge-F共摻光纖制備化學成分光纖光柵，這類光纖不是簡單的對光纖材料進行摻雜，而是將F離子直接以化學方法引入纖芯和包層，從而實現了對光纖成分的改性，研究者對其進行了2000 MGy的高劑量輻射，結果發現這類FBG性能較差，經長時間輻射后布拉格峰位移動達10 nm左右，損耗達10 dB，表明該傳感器不適合用在核輻射環境中，其RIA和波長漂移如圖2a、b所示。

之后的研究重點轉向了光柵光纖的組成成分和涂覆層。Gusarov等[21]選用了12種不同成分的FBG進行核輻射下的布拉格波長漂移情況測試，發現在各種摻雜光纖中，純硅光纖和摻F光纖FBGs具有更好的耐輻射特性，如圖2c所示，圖中所示波長漂移最小的10號FBG纖芯中不含有Ge成分，1 MGy的輻射總劑量下BWS僅為50 pm，而BWS最大的5和8號光柵的纖芯中含有摩爾分數為21%和10 %的GeO2，適合用作輻射劑量的監測。與此同時，該小組還分析了光柵種類對核輻射的敏感性，圖2d給出了I型、II型兩種FBG在輻射下的波長移動，對于I型FBG其波長在100 kGy輻射劑量下的移動達80 pm以上，而II型FBG僅為30 pm，且在輻射劑量15 ～ 20 kGy時該數值達到飽和，之后不再隨輻射劑量的增加而增大，該類FBG經過一定的飽和輻射劑量后可以用在核輻射環境中進行溫度和應變的傳感。

圖2 化學成分光纖光柵及不同類型光柵的輻射損耗和布拉格波長特性[20-21]Fig.2 Radiation induced attenuation and Bragg wavelength characteristics of chemical composition FBG and different types of gratings after radiation [20-21]

光纖涂覆層方面，Henschel等[22]選用丙烯酸酯、有機陶瓷、聚酰亞胺作為FBG制備完成后的涂覆層，并選用機械剝除有機陶瓷層作為對照，對FBG進行40 kGy的輻射，輻射后的峰值衰減和布拉格波長移動情況如圖3a、b所示。由結果可知，涂覆層對FBG的布拉格波長處的峰值影響不大，而對波長的移動有較大的影響，圖3b中波長移動最大的FBG為有機陶瓷涂覆的光柵，移動最小的是剝除陶瓷層的光柵。由該結果可知，利用不同種類和厚度涂覆層FBG對輻射的敏感性差異可以選用不同光柵實現輻射劑量的測量和輻射環境下的傳感應用。

Gusarov等[21]對FBG載氫過程中所用的氫氣壓力也進行了研究。選用Corning單模光纖制備的FBG刻寫前選擇了不載氫、10、20和30 MPa氫氣壓強進行處理，并將制備的不同FBG置于輻射環境中進行測試，結果如圖3c所示。圖中不載氫的FBG具有最小的BWS，100 kGy輻射下波長漂移僅為12 pm，隨著載氫壓力的逐漸增加，FBG的波長漂移情況越來越明顯。通過在刻寫FBG過程中對光纖施加一定的拉力，發現FBG的波長漂移沒有明顯變化。

圖3 核輻射對不同涂覆層和不同載氫壓強下FBG布拉格峰值和波長漂移的影響[21]Fig.3 Effects of nuclear radiation on Bragg peak and wavelength drift of FBG under different coatings and different H2 loading pressures [21]

2011年Henschel研究小組[22]選用Corning單模光纖、摻F的Fujikura和Draka光纖、純硅光纖(PSC)4種光纖制作FBG，其中摻F的Fujikura和Draka光纖具有相對較小的輻射損耗，Voloshin等[23]也證實了這一結論(圖4a)。4種FBG均采用飛秒激光刻寫，然后在輻射率為1 Gy/s進行核輻射，當輻射量達到100 kGy時停止輻射，對其波長移動情況進行表征發現，BWS與RIA具有相同的趨勢，摻F的Fujikura和Draka光纖刻寫的FBG具有最小的輻射損耗和波長漂移。輻射前后FBG溫度和應變的傳感結果表明，輻射前后溫度系數和應變系數有不同程度的變化，使用過程中需要再次定標。同時該研究組得到摻N光纖[24]具有更好的抗輻射特性的結論。

核輻射對光纖布拉格光柵傳感器影響的作用機理一般有以下幾種觀點。一是輻射對光柵的影響與光纖本身的化學組成和刻寫入方法有關，Fernandez等[18]和Gusarov等[21]研究表明，輻射造成的布拉格波長移動主要是由光纖纖芯的材料決定，不同材料對輻射的吸收不同，從而影響其有效折射率的改變。二是認為光纖的成分對輻射并不敏感，輻射造成FBG波長移動主要是由于光纖載氫過程中的氫氣壓力和光纖所受拉力造成的，沒有進行載氫預處理的FBG經過輻射后波長漂移是最小的[25]。第三基于色心產生模型[26]，色心的形成主要由于光纖在拉制過程中存在缺陷形成了缺陷能級，輻射造成的電離效應引起缺陷能級電子電離形成色心，而色心又會對光纖的吸收光譜產生影響，并因此導致折射率變化，輻射過程中，色心不斷產生和湮滅，當輻射劑量達到一定量級時，兩者將達到動態平衡，直至飽和，該模型也解釋了文獻[22]中FBG的BWS在一定的輻射劑量下達到飽和的現象。

圖4 4種不同FBG的輻射損耗、布拉格波長移動、溫度變化系數和應力變化系數[23]Fig.4 RIA and BWS of FBG and their temperature coefficient and tensile stress variation coefficient[23]

通過光纖布拉格光柵傳感器在光纖成分、載氫情況、光柵種類等方面對核輻射的響應情況可以看出，光纖成分是對光柵波長移動和損耗影響最大的因素，綜合分析來看，在摻F、摻有微量Ge的光纖上刻寫的布拉格光柵封裝成的傳感器在核輻射環境中受到最小的影響，該類傳感器可應用于核輻射環境中進行單點式溫度和應變的傳感。

2.2 分布式光纖傳感器在核輻射環境中的應用

對分布式系統而言，傳感器設計中最關注的兩個參數是傳輸距離和空間分辨率，而傳輸距離受到傳輸損耗的限制，輻射對分布式系統的影響也主要表現在輻射引起的傳輸損耗RIA上，本文對核輻射對基于3種不同散射信號的DTS系統的RIA影響進行闡述。

2.2.1 基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統在核輻射環境中的應用

瑞利散射信號是3種散射中信號最強的，但是由于基于瑞利散射的傳感器在制造和使用中有很多不便，同時溫度測量范圍相對較小，在核輻射方面的相關研究較少。Sang等[27]選用不同涂覆層和不同摻雜的光纖研究了幾種瑞利傳感器在DTS中的應用，并將其溫度測試結果與標準熱電偶的結果進行了比較，結果如圖5所示。可以看出在高中子流輻射區，輻射引起的溫度升高可到100 ℃左右。不同輻射下4種不同光纖在輻射下的變化趨勢基本一致，其中由于金屬的熱膨脹系數較大，使得銅涂覆的光纖表現出最大的光譜移動。同時，可以看出摻雜對光纖的光譜移動具有很大的影響，忽略銅涂覆層的膨脹系數差異，摻有20 % GeO的光纖具有更大的光譜移動。其次為10%摻雜的光纖，純硅光纖具有最大的輻射不敏感性，適合用作核輻射環境中的傳感光纖。反之，摻雜的光纖對輻射極為敏感，是制作輻射劑量探測器的合適選擇。

圖5 不同種類光纖經不同輻射下的光譜移動[27]Fig.5 Spectral response of different types of optical fibers to the thermal environment induced by the neutron irradiation [27]

2.2.2 基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統在核輻射環境中的應用

布里淵光纖傳感器主要受頻率調制，對輻射引起的損耗和吸收并不敏感，所以在核輻射環境中具有較大的應用潛力[28]。

Phéron等[28]選用純硅光纖、摻微量F光纖和高摻Ge光纖進行了對照，在經過10 MGy的γ射線輻射后，分析了γ輻射對布里淵分布式光纖系統的影響。其輻射導致的光纖損耗和布里淵頻移情況如圖6所示。從圖6a可以清楚地發現，隨著輻射劑量的不斷增加，3種布里淵光纖均表現出輻射損耗增加的現象。從損耗情況來說，輕微摻雜F元素的光纖損耗最低，說明相對于裸光纖和重摻光纖而言，少量摻雜有助于光纖的抗輻射特性。同時可以看出即使對于損耗最小的光纖，在經歷10 MGy的輻射后其損耗也達到了50 dB/km，對比不經受核輻射的光纖，這個值已經相當大了。故就輻射總劑量達到10 MGy的布里淵系統而言，光纖的最佳傳輸距離僅為幾百米，如果輻射量增加，該距離將繼續縮短。除此之外，近幾年布里淵散射相關研究也證實了相比于摻Ge光纖，摻F光纖在布里淵散射相關傳感器方面具有更強的耐輻射特性[29]。圖6b中布里淵頻移的峰值情況也反映了該問題，即隨輻射劑量增加，分布式布里淵光纖傳感器性能逐漸弱化。

圖6 核輻射對基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統的影響[28]Fig.6 Effects of γ-radiation on the Brillion based distributed optical fiber sensor[28]

將3種布里淵光纖隨輻射劑量的頻移量進行對比，可以得到表1所示的結果。布里淵頻移與光信號損耗結果表現出相同的趨勢：3種光纖中微量摻雜的光纖具有最佳性能，經過10 MGy輻射后頻移僅為2.3 MHz，重摻的光纖則達到了17.8 MHz，且少量摻雜F元素的光纖在輻射劑量為3 MGy后就表現出飽和現象，該結果說明輕摻F的光纖是做分布式布里淵光纖傳感器的最佳選擇。Sang等[27]指出，在將布里淵散射用作溫度傳感時，布里淵頻率每改變1 MHz意味著溫度改變1 ℃，結合該小組的研究可以認為輻射劑量對輕微摻F光纖的布里淵頻移影響表現在溫度傳感中有2 ℃左右。

表1 3種光纖布里淵頻移量匯總

此外，Sang等[27]重點研究了基于布里淵散射的分布式光纖溫度和應變傳感器經過輻射后的溫度系數和應變系數，結果如圖6c、d。經過不同劑量的γ射線輻射后，3種光纖制成的溫度和應變傳感器還保留了線性響應的特性，且3種光纖的溫度和應變系數變化都不大，最大的摻F光纖溫度傳感器在經歷10 MGy輻射后也僅變化了0.1 MHz/℃，即外界環境實際每變化1 ℃，所測溫度與標準值差不超過0.1 ℃。

綜合上述結果可以看出，基于布里淵散射的光纖傳感器在分布式測量中具有廣闊的應用前景，其優勢和缺點都很明顯，優勢在于核輻射對溫度和應變系數影響不大，缺點是光學信號衰減較大，傳輸距離受到極大限制。微量摻雜在保持光纖中光信號衰減和布里淵頻移上具有明顯優勢，可以通過優化光纖設計和尋找最優摻雜濃度等方法克服使用過程中出現的問題。

2.2.3 基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統在核輻射環境中的應用

拉曼散射對溫度極其敏感，因此基于拉曼散射的分布式傳感器多用于溫度傳感中，其解調機理依賴于斯托克斯光和反斯托克斯光的相對強度，輻射對該系統的影響也通過影響光信號的損耗來表現，然而斯托克斯光和反斯托克斯光對輻射的響應存在差異，從而對兩種光強產生影響，進而使溫度解調出現異常，需要對測試系統進行修正。對于拉曼散射分布式光纖溫度傳感器(RDTS)而言，對其信號影響最明顯的也是RIA，Kimura等[30]研究表明，溫度對RIA有很大的影響，相較于低溫，300 ℃時其衰減可減小幾個數量級，故RDTS多用于核反應堆的冷卻循環過程中。常用的對拉曼散射傳感器的修正主要包括以下兩種方法：熱電偶校準和環形裝置校準[30]，其基本結構可由圖7描述。圖7a所示的熱電偶校準中，在一段長度為LAB的RDTS光纖起點A和終端B分別放置兩個標準熱電偶，由熱電偶讀出的溫度分別為TA和TB，則經過校準后距離A點LAC、距離B點LBC的任意點C的準確溫度TC可由下式表示：

(2)

(3)

其中，k為波爾茲曼常數，h為普朗克常數，c為真空中的光速，υr為拉曼散射光的波數移動量，IA和IS分別為對應的反斯托克斯和斯托克斯光的光強，則IADR和ISDR為輻射環境中D點的反斯托克斯和斯托克斯光強分量。與標準熱電偶校準相比，該方法不受環境溫度場和輻射劑量均勻與否的影響，具有更強的普適性。Kimura等[30]小組的研究結果證明了該結論，他們將RDTS系統用在JOYO快速反應堆中進行溫度測量，對測量結果進行兩種方式修正，并將修正后的結果與環境的標準溫度進行對比，結果發現修正后的結果與真實的輻射環境下的溫度吻合得較好，在一些輻射損耗較小的區域由于輻射造成的溫度不均勻導致環形裝置修正優于熱電偶修正。

環形校準裝置的使用在一定程度上浪費了光纖，于是一種新的雙端拉曼溫度傳感器應運而生[31]。雙端拉曼檢測方法無需進行修正，原因在于雙端檢測的結構設計，此方法可用圖7c簡單描述。本裝置選用普通商用光纖作為傳感元件，將光纖首末端嵌入RDTS系統內部，光源從1和2兩個端口分別發出且同時檢測后向傳輸的光信號，如圖7c所示，將1和2端口的探測信號疊加便可將微擾、輻射等引起的損耗進行濾除，從而實現只對溫度的傳感。Fernandez等[31]將這種裝置應用于輻射環境進行溫度監測，得到圖7c所示的結果。

圖7 RDTS3種校準裝置 [30-31]Fig.7 Calibration set-up of RDTS[30-31]

將雙端測試的RDTS系統置于輻射環境中進行溫度測試，經過94 h和142 h輻射后，當環境溫度不發生變化時，DTS測試的溫度漂移量僅為1 ℃，這一結果表明選用這種手段可以有效提高RDTS在輻射環境中的測量精度。同樣，將雙端測試系統置于輻射劑量達326.8 kGy的環境中與標準熱電偶測試結果對比，由于熱電偶和RDTS測試位置的差異，兩者的測試結果總是存在10 ℃左右的差值，但是核輻射前后兩者的溫度差保持在0.5 ℃，這一結果表明雙端測試的RDTS可以用于高輻射劑量環境中進行長期溫度監測，并能保持良好性能。

除了雙端檢測，近年來還發展起來了一種利用雙光源改進的基于拉曼散射的分布式溫度傳感器[32]。該方法使用雙光束入射將產生的斯托克斯光和反斯托克斯光限制在波長不同的雙光束內，使得兩種拉曼散射光信號自行校正，增強了系統的抗輻射特性，該系統可工作于輻射劑量為MGy量級的高輻射環境中。通過對該方法進行優化改進，將有可能實現0.2 ℃的高精度。實驗結果還表明，摻P的光纖對輻射較為敏感，適合用作核輻射探測器；反之，摻F的光纖具有更強的耐輻射特性。

2.3 光纖法布里-珀羅(FP)傳感器在核輻射環境中的應用

在核輻射環境中，由于輻射導致的波長選擇性吸收，光纖FP傳感器表現出較大的信號衰減，且輻射結束后信號幾乎沒有恢復的趨勢，嚴重影響了其在核輻射環境中的應用；而即使只經過小劑量的核輻射，應力傳感器的信號也直接衰減到探測極限以下，傳感器不能正常運行。由此可見，光纖FP傳感器更適合用作溫度傳感。

對于光纖FP溫度傳感器而言，輻射主要通過改變傳感器的熱光系數來影響其溫度傳感特性。周次明等[3,11]研究表明，該類傳感器只適合于輻射量不高于1 MGy的環境下，此時傳感器的熱光系數改變量約為3%，得益于信號處理技術的升級和功率損耗的降低，現有傳感器可承受的核輻射劑量不斷提高，有些已經達到1.33 MGy。

由此可見，相比于光纖布拉格光柵傳感器和分布式光纖傳感器，光纖FP傳感器在核輻射環境中的應用受到極大的限制，這類傳感器能承受的核輻射劑量僅為MGy量級；相對于其他兩種類型的光纖傳感器，其升級和應用更多依賴于信號處理系統。

3 存在問題與未來發展方向

本文通過綜述光纖傳感器在核輻射環境中的應用研究進展，對其受核輻射影響下的損耗情況和性能改變進行了闡述。對于FBG傳感器而言，核輻射對其最大的影響主要表現在布拉格波長受核輻射引起的漂移。通過對照幾種不同成分、不同涂敷層的光纖可以看出，摻F光纖制成的FBG在輻射環境中具有最佳的穩定性。對于分布式光纖傳感器，基于布里淵散射和拉曼散射的DTS更具潛力，分布式光纖布里淵傳感器在較高強度的核輻射下僅出現2 ℃左右的溫度漂移，而經過特殊手段修正或選擇合適的裝置后RDTS可將溫度漂移縮小到1 ℃左右。而基于法布里-珀羅腔的光纖傳感器則由于其自身的性質在核輻射環境中運行受到較大限制。

但是，核輻射環境下的光纖傳感器應用當前仍處于研究階段，距離大規模應用于核反應堆、核電站、核廢料處理等場所和環節，為核能產業的安全有序生產提供精確參考還有很長的路要走。基于目前的應用研究現狀，認為該領域未來的發展方向為：

(1)光纖布拉格光柵傳感器

由于光纖材料本身受到核輻射影響會產生損耗，主要的研究工作將集中在制造強輻射下低傳輸損耗的、具有更高的強度和耐久性的光纖。國內相關機構已制備出室溫下輻射前損耗為1.25 dB/km，輻射終止后1000 s最大衰減常數僅為2.75 dB/km的光纖。與此同時，光纖材料摻雜也是應當大力發展的方向，如摻F、摻N、表面涂碳和藍寶石基等光纖，其中利用涂碳光纖制作的分布式裂縫傳感器可達到0.02 mm分辨率和1～4.5 nm的動態范圍。然而，制約這些特種光纖大規模應用的最大問題是成本高。

(2) 分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器一般需要進行校準，其發展方向為模式識別算法和解調軟件的不斷升級。通過優化使得機箱尺寸不斷變小，便攜式分布式傳感器將成為現實。將具有抗輻射特性的光纖與分布式傳感器相結合，有望在核輻射環境中得到更好的應用。

(3)光纖FP傳感器

該類傳感器的發展也有賴于抗輻射光纖材料本身功率損耗的降低和信號處理系統的優化升級，這是包括電子類器件在內所有傳感器的發展方向。

4 結語

綜上所述，要推進光纖傳感器在核輻射環境中的應用，發展耐輻射光纖是重中之重。同時，還需要優化配備的校準系統和信號處理系統，爭取早日實現光纖傳感器在核輻射中的商業化應用，從而為核環境的安全運行提供可靠保證，為核技術造福全人類助力。