技術情報

石英光ファイバーに水素ドープする事により、耐放射線性が向上した事が本論文で紹介されています。光ファイバーメーカーのCeramOptec社製品が本実験に使用されました。

執筆者：A. Gusarov, K.Y. Vukolov, I.I. Orlovskiy, E.N. Andreenko
論文原文

タイトル：Radiation induced absorption of hydrogen-loaded pure silica optical fibers with carbon coating for ITER diagnostics

■要旨
　本稿では、水素ドープの有無にかかわらず、OH基濃度が低いものと高いものの200μm純シリカコア光ファイバーのガンマ線照射試験結果を示す。すべてのファイバーは、ITERの光プラズマ診断用ファイバーバンドルの候補サプライヤーによって製造された。水素ドープファイバーは、照射開始前に1年間保管された。ファイバーは、2つのCo-60ガンマ線照射施設において、それぞれ15および194 mGy/sの線量率で、吸収線量15および70 kGyまで照射された。ファイバーの光透過損失は、450～900 nmのスペクトル範囲でその場で測定された。結果は、石英コアファイバーにおける放射線欠陥に関する既存のデータに基づいて解釈される。
　水素ドープにより耐放射線性が向上し、ITERの要求を満たすことが実証された。

■使用ファイバー
　試験に用いた光ファイバーは、大手特殊光ファイバーメーカーであるCeramOptec社から提供された。CeramOptec社は、純石英コア光ファイバープリフォームの製造に2種類のプラズマ蒸着法を組み合わせている。高周波（HF）大気圧プラズマと低圧超高周波（マイクロ波）プラズマ技術により、様々なドープ濃度の層を蒸着できる。CeramOptec社は、大口径光ファイバーに薄いカーボン気密コーティングを施して水素を充填する技術も有している。
　本研究で使用した光ファイバーは、直径200μm純石英コアと220umフッ素ドープクラッドを有し、開口数（NA）は0.22である。標準的なポリイミドコーティングが施され、保護用のPVCチューブにいれている。両端には、光ファイバーメーカーによって取り付けられた標準的なSMAコネクタが装着されている。 H2ドープファイバーには、厚さ約100 nmの一次気密カーボンコーティングが施されている。製造元の仕様によると、充填後のファイバーコア内のH2濃度は6×10¹⁸分子/cm³でした。カーボンコーティングは、ファイバーからの水素の漏出を防ぐのに非常に効果的である。今回の場合、照射はファイバー製造後約1年後に行われた。この期間中、ファイバーは実験室環境で保管されていた。

■まとめ
本研究では、ITER診断システムへの使用を想定した純シリカファイバーの耐放射線性に対する水素負荷の影響を実験的に調査した。ファイバー中のH2濃度は、製造元の仕様に基づき、6×10¹⁸分子/cm³であった。
この濃度において、400～900 nmの波長範囲で、最大70 kGyのガンマ線照射量において、放射線誘起吸収の顕著な減少が観察された。CeramOptec社が開発した薄膜カーボン気密コーティングのおかげで、水素は室温で数年間ファイバー内に保持される。
照射は、それぞれ15 kGy/sおよび194 mGy/sの線量率を持つ2台のCo-60ガンマ線照射装置を用いて、最大吸収線量15 kGyおよび70 kGyまで実施した。
照射は断続照射と連続照射の両方で行った。連続照射の方が解釈しやすいかもしれないが、断続照射は実際のITER放射線環境下での応答に関するより詳細な知見を提供する。照射中断中の放射線による欠陥生成とアニーリングの競合により、断続的な照射期間中、水素を負荷した高OHファイバーと低OHファイバーではRIA（放射誘起吸収）が減少したが、水素を負荷していない高OHファイバー#2ではRIAが単調に増加した。
ファイバーの光透過損失は、450～900 nmのスペクトル範囲でその場で測定された。特に、ITERプラズマ中のベリリウム原子と水素原子の強い線に対応する457 nmと656 nmの波長に注目した。試験したファイバーの中で最も悪い結果は、水素を負荷していない長さ10 mの純粋な高OHファイバーで、15 kGyの照射後、656 nmでの透過率が34%まで低下したことであった。これは、ITERにおけるHα線診断の目的には許容範囲内である。水素を負荷した光ファイバーでは、著しく良好な結果が得られた。15 kGyの照射量において、透過率の低下は低OH+H2ファイバーで15%、高OH+H2ファイバーで6%だった。また、塩素含有量が高いと、水素負荷による保護効果が弱まることも示された。塩素の存在に直接関連する吸収帯は紫外線領域にあるが、400 nmより短い波長では、塩素が水素と反応してその保護効果を不活性化する可能性がある。
低照射量では、600 nm付近に最大値を持つ過渡吸収帯が観測された。文献データと観測された反応速度に基づき、この吸収帯は自己トラップ型正孔中心に起因するものと考えられる。この吸収帯は数百Gy以上の照射量で消失する。この吸収帯は弱く、診断システムの性能に影響を与えることはないと考えられるが、最近提案されたように、設置前に光ファイバーを約100 Gyまで照射する可能性も検討する価値がある。このような照射量ではSTHバンドは消失するが、450～900nmの範囲にある他の吸収バンドの強度は無視できるほど小さくなる。

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