Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХСЛОЙНЫЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОВОД ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА 2-50 МКМ

Изобретение относится к оптоволоконной ИК-Фурье спектроскопии, конкретно, к двухслойным ИК световодам, которые прозрачны в среднем ИК диапазоне спектра от 2,0 до 50,0 мкм и изготовлены из радиационно-стойких кристаллов определенного состава на основе системы бромид серебра - твердый раствор галогенидов одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54).

Волоконные ИК-Фурье спектрометры используются для анализа с высокой степенью точности химического состава жидких, твердых и газообразных веществ, в том числе при повышенной радиационной активности, а также для диагностики природных и техногенных процессов. Следует отметить, что оптоволоконная технология позволяет проводить анализ на расстоянии в труднодоступных участках, в том числе с высокой радиационной активностью.

Известны двухслойные ИК световоды, изготавливаемые методом экструзии из кристаллов на основе системы AgCl-AgBr и применяемые в качестве оптического кабеля (зонда) стыкуемого с ИК-Фурье спектрометрами различных фирм: американской Mettler Toledo, германских компаний - Art Photonics, Bruker, и других.

Но галогенидсеребряные световоды светочувствительны, особенно к ультрафиолетовому и радиационному излучениям и не применимы в условиях повышенной радиации.

Известен инфракрасный световод с большим диаметром поля моды [Патент РФ №2506615 от 10.02.2014. Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды // Корсаков А.С., Жукова Л.В., Жуков В.В., Врублевкий Д.С.], включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в гексагональном порядке и изготовленных из кристаллов различного состава на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор TlBr_0,46I_0,54.

Но ИК световод является одномодовым при работе на длине волны 10,6 мкм (СО₂ лазер) и обеспечивает распространение только одной моды низшего порядка в пределах фундаментальной запрещенной зоны.

Наиболее близким техническим решением является одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод для спектрального диапазона от 2,0 до 50,0 мкм [Патент РФ №2504806 от 20.01.2014, авторов Корсакова А.С, Жуковой Л.В., Кортова С.В., Врублевского Д.С.], сердцевина которого имеет диаметр 10-250 мкм и выполнена из кристаллов на основе бромида серебра в мас.%: 98,8-65,0 и твердого раствора TlBr_0,46I_0,54 в мас.%: 1,2-35,0, а оболочка диаметром 0,6-1,1 мкм выполнена из тех же кристаллов в мас.%: AgBr - 99,0-69,5; твердый раствор - 1,0-30,5. Световод устойчив к радиационному, ультрафиолетовому (УФ) и ИК излучениям за счет наличия в его составе TlBr_0,46I_0,54, что также расширяет его прозрачность до 50,0 мкм.

Но в прототипе приведена структура и состав одномодовых световодов, предназначенных для работы на определенной длине волны 10,6 мкм и 30,0 мкм. Кроме того, состав световодов соответствует левой части новой диаграммы системы AgBr-TlBr_0,46I_0,54, изученной нами (см. фиг.1, где - расплав системы AgBr-TlBr_0,46I_0,54; α₁- высокотемпературная ромбическая фаза AgBr; α - твердый раствор системы AgBr-TlBr_0,46I_0,54 на основе низкотемпературной кубической гранецентрированной модификации AgBr; β - твердый раствор системы AgBr-TlBr_0,46I_0,54 ^на основе кубической модификации TlBr_0,46I_0,54; Х₁ Х₂, Х₃ - химические соединения; X₁*, Х₂*, Х₃* -высокотемпературные фазы химических соединений Х₁ Х₂, Х₃), где существуют области гомогенности твердых растворов, как в левой, так и в правой части диаграммы. Установлено, что при длительном УФ облучении кристаллов, соответствующих составам левой части диаграммы, происходит просветление в спектральном диапазоне от 5,0 до 20,0 мкм, что является положительным эффектом при использовании одномодовых световодов в данном диапазоне [Волоконные световоды для среднего инфракрасного диапазона. Учебник, Л.В. Жукова, А.С.Корсаков, А. Е.Львов, Д.Д. Салимгареев. С. 185-189]. Но для использования ИК световодов в качестве оптоволоконного кабеля, стыкуемого с ИК-Фурье спектрометром, этот эффект недопустим. Кроме того, ИК световоды, соответствующие составам левой части диаграммы, устойчивы к ионизирующему излучению дозой до 500 кГр, что недостаточно при использовании их в различных областях атомной энергетики.

В хранилищах радиоактивных отходов, горячих камерах, напорных спец. канализациях и других объектах при повышенном радиационном фоне протекают различные химические реакции, которые необходимо контролировать с использованием ИК - Фурье спектроскопии. Существует техническая проблема по определению химического состава веществ в режиме реального времени с использованием волоконного ИК Фурье спектрометра в условиях ионизирующего (гамма) излучения дозой от 1000 кГр и более. Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод, что их использование не возможно в условиях повышенной радиации.

Проблема решена за счет изготовления двухслойного кристаллического инфракрасного световода для спектрального диапазона 2,0-50,0 мкм, включающего сердцевину и оболочку, выполненных из кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-иодида одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54), отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 900±10 мкм и содержит ингредиенты при следующем соотношении компонентов, в мас. %:

а оболочка выполнена диаметром 1100±15 мкм и изготовлена из кристаллов при следующем соотношении компонентов, мас. %:

что позволяет контролировать состав продуктов и кинетику происходящих процессов на изолированных ядерных объектах за счет использования стыкуемого с ИК-Фурье спектрометром волоконного кабеля на основе двухслойного кристаллического инфракрасного световода не обладающего эффектом просветления при длительном (более 10 часов) ультрафиолетовом облучении.

По сравнению с прототипом двухслойный кристаллический инфракрасный световод для спектрального диапазона 2-50 мкм обладает следующими преимуществами:

1. Двухслойные кристаллические ИК световоды имеют диаметр сердцевины 900±10 мкм для работы во всем спектральном диапазоне от 2,0 до 50,0 мкм в сравнение с прототипом, в котором одномодовые двухслойные ИК световоды имеют диаметр сердцевины от 10 до 250 мкм в зависимости от длины волны, т.е. чем меньше длина волны, тем меньше диаметр сердцевины.

2. Стойкость к ионизирующему излучению дозой от 1100 кГр и выше, в прототипе до 500 кГр.

3. Оптические свойства не изменяются при длительном УФ облучении и высоком ионизирующем излучении.

Пример 1. Изготовлен двухслойный ИК световод с диаметром сердцевины 890 мкм и состава в мас.%: бромид серебра 13,0; твердый раствор TlBr_0,46I_0,54 87,0. Сердцевина имеет больший показатель преломления (n=2,337), чем в оболочке, диаметр которой 1085 мкм, состав в мас.%: бромид серебра 18,0; твердый раствор TlBr_0,46I_0,54 82,0, n=2,308.

Оптикомеханические свойства световодов при гамма облучении дозой 1500 кГр не изменяются в спектральном диапазоне от 2 до 50 мкм.

Проведен дистанционный анализ с помощью оптоволоконного ИК-Фурье спектрометра в среднем инфракрасном диапазоне спектра на химический состав по пикам поглощения различных калибровочных растворов, содержащих спирт, минеральные масла, воду и другие компоненты. Также определен состав и концентрация смеси вода-тяжелая вода (Н₂О-D₂O) в спектральном диапазоне от 3,56 мкм до 5,0 мкм. Предел обнаружения метода от 10^-3 до 10^-4 моль/л.

Пример 2. Изготовлен двухслойный ИК световод

При гамма облучении ИК световода дозой 1300 кГр оптические свойства (пропускание) не изменяется в спектральном диапазоне от 2,0 до 50,0 мкм.

Химический анализ различных растворов проведен как в примере 1 с помощью оптоволоконного ИК-Фурье спектрометра с пределом обнаружения от 10^-3 до 10^-4 моль/л.

Пример 3. Изготовлен двухслойный ИК световод, состав и структура которого приведена в таблице

При гамма облучении ИК световода дозой 1100 кГр пропускание не изменяется в спектральном диапазоне от 2,0 до 50,0 мкм.

Подтвержден предел обнаружения (от 10^-3 до 10^-4 моль/л) веществ по пикам поглощения, в том числе тяжелой воды.

Согласно диаграмме (см. фиг.1) нельзя получить ИК световоды из кристаллов составов менее 87,0 мас.% твердого раствора AgBr-TlBr_0,46I_0,54, т.к. кристаллы не вырастают в связи с полиморфными переходами, а также более 93,0 мас. % TlBr_0,46I_0,54 в AgBr, т.к. световоды полученные из данных составов методом экструзии разрушаются под действием эффекта рекристаллизации.

Таким образом технический результат, при использовании радиационно-стойких двухслойных кристаллических ИК световодов в спектральном диапазоне 2-25 мкм совместимых с ИК-Фурье спектрометром, заключается, во-первых, в возможности определения в режиме реального времени химического состава различных веществ с пределом обнаружения 10^-3-10^-4 моль/л, в том числе D₂O [Королева А. В. Новый метод исследования инфракрасных спектров фазовых состояний водных систем при различных температурах. Диссертация, Москва, МГУ, 2016 г.] в условиях ионизирующего излучения дозой от 1100 до 1500 кГр; во-вторых, сердцевина диаметром 900±10 мкм упрощает стыковку световода с ИК-Фурье спектрометром.