ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 1, с. 118-122
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 537.591+523.165
ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТИКОВЫХ ОПТОВОЛОКОННЫХ КАБЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В КАЛИБРОВОЧНЫХ СИСТЕМАХ КОСМОМИКРОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
© 2011 г. Р. В. Васильев*, Б. К. Лубсандоржиев*, **, Н. Б. Лубсандоржиев*, Б. А. М. Шайбонов*, P. Grabmayr**, J. Jochum**, F. Ritter**
*Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а **Kepler Center for Astro and Particle Physics, University of Tübingen Auf der Morgenstelle 14, D-72076 Tübingen, Germany Поступила в редакцию 14.07.2010 г.
Представлены результаты исследования оптических свойств широко используемых в космомикро-физических экспериментах пластиковых оптоволоконных кабелей. Изучены поглощение наносе-кундных световых импульсов и дисперсия света, а также влияние механических изгибов кабелей и углов входа фотонов на время прохождения и ослабление световых сигналов в таких кабелях.
Пластиковые оптоволоконные кабели находят широкое применение в космомикрофизических экспериментах. Например, в глубоководных нейтринных экспериментах, а также в черенковских детекторах широких атмосферных ливней и в че-ренковских вето-детекторах низкофоновых нейтринных экспериментов пластиковые оптоволоконные кабели используются во временных и амплитудных калибровочных системах.
Для эффективного использования таких кабелей необходимо знать их оптические параметры, а также влияние внешних воздействий на эти параметры. Ранее показывалось как гидростатическое давление влияет на оптические параметры оптоволоконных кабелей [1]. Кроме того, во время монтажа и окончательной фиксации всех элементов экспериментальной установки оптоволоконные кабели могут быть подвержены различным механическим деформациям: растяжениям и изгибам. Если растяжения кабелей можно как-то контролировать и не допустить в окончательной конфигурации детектора, то от изгибов кабелей практически никуда не уйти. Поэтому важно знать влияние изгибов и длины кабелей для того, чтобы избежать существенных изменений параметров кабелей или же ввести соответствующие поправки в результаты калибровочных измерений.
Исследование оптических параметров оптоволоконных кабелей проводилось с помощью измерительного стенда, функциональная схема которого показана на рис. 1. В измерениях использовалась система многомодовых пластиковых оптоволоконных кабелей марки СиРОРЬБХ 8БЯС08-Си-
POFLEX-LWL CL11Y-1V2Y1P 980/1000 200A производства фирмы Siemens и COMAR 01 FS 20 фирмы Comar Optics с сердцевиной из полиме-тилметакрилата 0 960 мкм и внешней оболочки толщиной ~20 мкм. Эта система аналогична системам, которые используются в Байкальском нейтринном эксперименте [2, 3], черенковских детекторах широких атмосферных ливней ТУНКА и QUEST [4, 5] и черенковском детекторе мюонно-го вето подземного нейтринного эксперимента GERDA [6, 7] по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядра 76Ge. Все кабели объединены с одного конца в единую планшайбу ПШ, при этом торцы кабелей в планшайбе тщательно отполированы.
В составе измерительного стенда применялись источники наносекундных световых импульсов ИС на основе светодиодов и лазерных диодов. Диапазон максимумов спектров излучения этих источников простирался от 380 до 700 нм, а ширина спектров от 8 до 15 нм. Формирователи импульсов запуска светодиодов были выполнены либо на лавинных транзисторах [8—10], либо на комплементарных парах быстродействующих транзисторов [11, 12]. Длительность световых импульсов контролировалась и не превышала 1 нс (п.ш.п.в. — полная ширина на половине высоты). Для равномерной засветки оптоволоконных кабелей в планшайбе световые импульсы проходят через диффузный рассеиватель света ДР. Для того, чтобы на торцы кабелей в планшайбе падала практически плоская световая волна, планшайба установлена на расстоянии ~1 м от рассеивателя. Планшайба, рассеиватель и источник световых импульсов за-
Рис. 1. Функциональная схема измерительного стенда. ОК — оптоволоконный кабель; ИС — источник световых импульсов наносекундной длительности; ДР — диффузный рассеиватель света; ПШ — планшайба; ф.э.у. — фотоэлектронный умножитель XP2020; У — усилитель импульсов LeCroy 612AM; Р — линейный разветвитель импульсов LeCroy 428F; Д1 — дискриминатор-формирователь со следящим порогом Canberra CFD 1326D; Д2 — дискриминатор импульсов с фиксированным порогом LeCroy 621AL; ЛЗ1? ЛЗ2 — линии задержки; Г — генератор импульсов Stanford DG535; ЗЦП — зарядово-цифровой преобразователь LeCroy 2249A; ВЦП — время-цифровой преобразователь БПТ-12А1; КК— крейт-контроллер КАМАК КК009; ПК — персональный компьютер.
крепляются на единой платформе. Источник света и рассеиватель могут перемещаться, изменяя угол падения фотонов на планшайбу, а следовательно, и угол входа 9 фотонов в оптоволоконный кабель.
В измерениях используется только один из оптоволоконных кабелей системы. Для измерения влияния изгиба кабеля на распространение световых импульсов наматывается один виток исследуемого оптоволоконного кабеля на металлические цилиндры различных радиусов Я. При измерениях зависимости длительности и амплитуды световых сигналов от длины оптоволоконного кабеля ОК используются кабели разной длины: 1, 10, 30, 60, 90 и 120 м. Световые сигналы после прохождения кабеля регистрируются быстродействующим фотоэлектронным умножителем ХР2020.
Для измерения ослабления светового сигнала в оптоволоконном кабеле используется десятиразрядный зарядово-цифровой преобразователь ЗЦП ЬеСгоу 2249А. В измерениях времени прохождения сигнала в кабеле применяется широкодиапазонный время-цифровой преобразователь ВЦП БПТ-12А1 с шагом 75 пс и диапазоном 5 мкс. Для определения абсолютных значений времени прохождения сигнала в кабеле были измерены временные задержки в ф.э.у. и электронных блоках (усилителе, дискриминаторах и т.д.) с помощью быстродействующего р—I—я-фотодио-да Натата1ви 81226.
Зависимость времени прохождения светового сигнала от длины оптоволоконного кабеля при-
ведена на рис. 2. Скорость распространения на-носекундных световых сигналов в кабеле на длине волны 470 нм составляет ~5.3 нс/м. При этом длительность светового сигнала увеличивается с длиной кабеля со скоростью ~80 пс/м. На рис. 3 приведена измеренная зависимость длительности световых импульсов от длины оптоволоконного кабеля. В этих измерениях использовался источник световых импульсов длительностью ~0.75 нс (п.ш.п.в.) и с максимумом излучения на длине волны ^тах ~ 470 нм. Постепенное увеличение длительности светового сигнала при его распро-
V нс
1000 800 600 400 200
Рис. 2. Зависимость времени прохождения наносе-кундных световых импульсов /пр от длины оптоволоконного кабеля I.
¿(п.ш.п.в.), нс 15
10
Рис. 3. Зависимость длительности световых импульсов / от длины оптоволоконного кабеля /.
А, отн. ед.
10
10
10
10-4_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|
0 20 40 60 80 100 /, м
Рис. 4. Зависимость амплитуды световых импульсов А от длины оптоволоконного кабеля / для различных длин волн X.
ХаЪв, м 0.10
-1
350 400 450 500 550 600 650 700
X, нм
Рис. 5. Зависимость коэффициента поглощения Хаъ8 наносекундных световых импульсов в оптоволоконном кабеле от длины волны X.
странении по кабелю обусловлено как геометрической (модовой), так и хроматической дисперсией света в кабеле. Хроматическая дисперсия света возникает из-за зависимости показателя преломления сердцевины кабеля от длины волны. Прямые измерения хроматической дисперсии исследуемых оптоволоконных кабелей с помощью набора светодиодов, излучающих на различных длинах волн, дают величину ~10 пс/(м • нм).
Ослабление световых импульсов при прохождении пластиковых оптоволоконных кабелей сильно зависит как от длины кабеля, так и от длины волны света. На рис. 4 представлена зависимость амплитуды световых импульсов от длины кабеля, измеренная для различных длин волн света. Как видно из рис. 4, амплитуда световых импульсов А для каждой длины волны X с увеличением длины кабеля / изменяется по экспоненциальному закону: А(/, X) = Сехр(—//Ь^), (1)
где С — нормировочная постоянная; ЬаП — длина поглощения световых импульсов.
С увеличением длины волны света наблюдается постепенное увеличение длины поглощения света от ЬаП = 16 м при X = 400 нм до ЬаП = 40 м при X = 590 нм. Параметр ЬаП связан с коэффициентом поглощения света ХаЪ§ простым соотношением
Ь
аП '
(ХаЪв)
— 1
(2)
На рис. 5 показано как коэффициент поглощения наносекундных световых импульсов зависит от длины волны. Минимальное ослабление светового сигнала достигается в диапазоне длин волн 530—600 нм. Интересно, что наблюдается резкий рост ослабления сигнала в области длин волн 620—650 нм, причем ослабление сигнала в этой области приблизительно равно ослаблению сигнала в фиолетовой области спектра. К сожалению, нам не удалось изучить более тщательно эту область повышенного поглощения из-за ограниченных наборов доступных светодиодов и светофильтров. С другой стороны, увеличение ослабления световых сигналов в этом диапазоне длин волн не столь существенно для большинства кос-момикрофизических экспериментов, использующих преимущественно фотодетекторы с чувствительностью в фиолетово-сине-зеленой области спектра. Таким образом, для калибровочных систем космомикрофизических экспериментов, использующих такие оптоволоконные кабели, необходимо применять источники света с максимумом излучения в диапазоне длин волн 450— 500 нм, где ослабление сигнала относительно мало, а чувствительность фотодетекторов еще достаточно высока. Следует отметить, что сине-зеленые светодиоды с максимумом излучения на длинах волн 490—500 нм, несмотря на их большую яркость, характеризуются замедленной кинетикой свечения с длительностью световых импульсов 5—10 нс (п.ш.п.в.) и постоянной времени свечения
A, фотоэлектроны 104
V нс 65
64
63
62
-161
60
20 40
9, град
Рис. 6. Зависимости амплитуды А и времени прохождения /пр наносекундных световых сигналов от угла входа 0 фотонов в оптоволоконный кабель.
A, фотоэлектроны 7000
6000 5000 4000 3000 2000 1000
V нс
20 Я, мм
Р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.