摘要：铌酸锂Y波导集成光学器件进行γ射线辐射效应地面模拟实验，一方面通过检测辐射前后器件参数的变化，分析了γ射线总剂量、剂量率与器件性能的相关性；另一方面通过在线监测辐射总剂量累计过程中器件参数变化，分析器件对γ射线辐射的敏感性，以及器件性能与辐射总剂量的瞬态关系。
关键词：铌酸锂；Y波导集成光学器件；γ射线
0 引言
基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺（IFOG）具有无运动部件、工艺简单、精度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、抗冲击、耐过载等优点，在航空、航天、航海、兵器等军事领域具有广阔的发展前景，引起世界各国的关注[1]。目前航天运载、空间载体和战略战术武器制导系统已成为光纤陀螺的重要领域和发展方向，在这些应用中，高抗太空辐射能力是光纤陀螺的必然要求。铌酸锂Y波导集成光学器件作为光纤陀螺的重要元件，其抗辐射能力直接影响着光纤陀螺的相关性能。现阶段，γ射线辐射研究为太空辐射模拟的重要项目，本文通过对铌酸锂Y波导集成光学器件进行γ射线地面模拟实验，研究其抗γ射线辐射能力。
1理论分析
γ辐射是由核子蜕变过程中发射的一种电磁波。它的波长比X射线还要短，波长＜0．1nm，这种射线具有很强的穿透能力。γ射线辐射源有反应堆和钴60等。钴60（60Co）最常见，一般剂量率50rad（Si）/s及以下的γ射线辐射实验都是用它进行。铌酸锂Y波导集成光学器件芯片材料为铌酸锂（其化学分子式为LiNbO3）铁电氧化物基材料[2]，当γ射线入射到铌酸锂铁电材料中，其对材料的损伤效应主要表现为辐射电离效应，是一种瞬时效应，可产生初级电子、次级电子甚至三级电子[3]。一般在材料中产生电子-空穴对所需的能量与入射粒子的种类无关，只与其禁带宽度成正比，一般为禁带的3倍[4]。而铌酸锂属于多晶结构，绝缘材料，禁带较宽，故铌酸锂材料的抗γ射线辐射能力较强[5]。对于采用质子交换退火工艺制备出光波导的Y波导集成光学器件来说，γ射线改变了波导内部的晶格结构和原子分布，改变了波导及其附近铌酸锂晶体衬底的原有折射率分布，降低波导对光的束缚能力，在器件性能参数的反映就是插入损耗与分光比的变化。定量的描述γ射线辐射造成的辐射损伤，须考虑γ射线辐射的入射能量强度和辐射注量。可以采用γ射线辐照实验前后，测试器件插入损耗与分光比的变化，得出不同能量等级的γ射线辐射和器件性能参数变化的关系，以及不同的γ射线辐射注量和器件性能参数变化的关系。
2实验方法
γ射线辐射实验分为辐射移地测试实验和辐照在线测试实验。
辐射移地测试实验，就是器件经过一定剂量的辐射后，移除辐射源一段时间后，对器件性能参数进行测试。用以考察辐射对器件的长期影响，以及是否造成永久损伤。这种实验，只需要将器件准备好寄给实验机构就可以了，实验完成后，寄回来再测试。这种实验的好处当然是简便，但是只能考察器件是否存在永久损伤，对于器件在辐射条件下地工作情况无从观测。需要提供的实验条件有两条：总剂量krad（Si）和剂量率rad（Si）/s。目前我们器件的实验一般在一百到数百千rad/si（100 krad（Si））这个水平。剂量率就是单位时间每秒的辐射剂量，用来表征辐射的强度，一般用到10rad（Si）/s，50rad（Si）/s这样的等级。
辐照在线测试实验，就是在器件受到辐射的同时进行实时在线的参数测试的实验。用以考察器件在辐射情况下的瞬态影响和实时反映。这种实验进行起来相对复杂，必须携带几乎全套的测试设备仪器和工具前往实验机构，后面会详细介绍这种实验的情况。需要的实验条件首先是剂量率rad（Si）/s，剂量率可以是一个固定的值，然后进行一定时间或者一定总剂量的实验；也可以用剂量率作为变量来进行实验。
3实验结果与讨论
3.1γ射线辐射移地测试实验
我们累计对超过26只铌酸锂Y波导集成光学器件进行了γ射线辐照移地测试实验，其中26只得到了有效数据，见表1。分别采用不同的辐射总剂量、剂量率、器件接受辐射的方式（器件状态）进行实验。辐射源60Co，辐射总剂量分100Krad（Si）和300Krad（Si）两个量级进行。辐射的剂量率分10rad（Si）/s和50rad（Si）/s两个量级进行。在辐射总剂量100Krad（Si）的情况下，器件接受辐射的方式，及器件状态分为器件状态1：器件封装完整，2：器件未封装，LiNbO3芯片直接暴露于γ射线辐照下。实验前、后对器件光电参数进行测试，比较器件参数实验前后的变化。
表1 γ射线辐照地面模拟实验数据
通过上表可以看出在100Krad（Si）～300Krad（Si）这个量级水平下，γ射线辐照总剂量的变化，对器件光电参数变化（插入损耗、分光比、串音、半波电压）影响不明显。在总剂量限定在100Krad（Si）的情况下，10rad（Si）/s～50rad（Si）/s这个量级水平的γ射线辐照剂量率变化，对器件光电参数变化（插入损耗、分光比、串音、半波电压）的影响也不明显。相同总剂量情况下，实验器件的芯片是否直接暴露在射线下，对器件插入损耗有一定的影响，但差别还是在一个很小的范围内（小于0.1dB）。
综上所述，在γ射线辐射总剂量300Krad/Si以内，Y波导集成光学器件接受不同的辐射实验后，经过一定的时间后其光电参数变化（插入损耗、分光比、串音、半波电压）很轻微，对于器件的永久性损伤较小。且以上实验，由于其实验样品只数较少，对于γ射线辐射实验与Y波导集成光学器件光电参数（插入损耗、分光比、串音、半波电压）之间的关系及总剂量和剂量率与器件性能的相关性仅做粗略分析。
3.2γ射线辐射在线测试实验
上述移地测试实验在γ射线辐照完成后才测试器件参数，不能表征γ射线辐射对器件的瞬态影响，因此我们开展了Y波导集成光学器件的γ射线辐照在线测试实验。实验过程中，Y波导集成光学器件置于钴辐射源前接受辐照，光源和光探测器置于铅砖墙后，它们之间由光纤连接。光探测器输出的电信号由电信号线通过位于屏蔽墙上的电接口输出到外部的数字电表上，测试中记录光探测器输出的电位值，再转换为相应的光功率。γ射线辐射总剂量每提高10Krad/Si，记录一次光输出的电位值，总剂量范围为0 Krad/Si～200Krad/Si。
下面是通过统计分析软件MiniTab对γ射线辐射实验数据进行分析拟合得出的插入损耗与分光比的变化趋势曲线：
图1 铌酸锂Y波导集成光学器件插入损耗随γ射线辐射剂量的变化
图2 铌酸锂Y波导集成光学器件分光比随γ射线辐射剂量的变化
从图1到图2可以看出，γ射线辐照对Y波导集成光学器件产生瞬时电离效应，且随着剂量的增加，使器件的插入损耗逐渐增大（其总变化量仍很小，小于0.13dB），对器件的分光比几乎无任何影响（分光比变化量均小于0.05%）。在γ射线辐照总剂量200Krad/Si范围内，随着辐射总剂量的增加，器件的插入损耗增加的速度逐渐变小（具体见图2），根据实验结果分析该只器件的插入损耗在3.2dB达到稳定状态。根据Alvin S.Kanofsky等人的研究，当质子交换的LiNbO3光波导接受到的γ射线辐照达到一定总剂量Dm以后，插入损耗增大的速度将会降低到一个很低的水平，进入一个相对稳定的状态[6][7]，这与我们的实验结果一致。
4. 结论
通过对铌酸锂Y波导集成光学器件进行γ射线辐射效应地面模拟实验，进行移地测试和在线测试帮助我们进一步认识γ射线辐射对器件的影响。在0～300Krad/si的总辐射剂量范围内，γ射线辐射对器件的插入损耗、分光比、串音及半波电压影响很小。随着辐射剂量的增大和辐射强度的增加（小于200Krad/si），铌酸锂Y波导集成光学器件的插入损耗也随之进入相对稳定的状态。因此采用铌酸锂衬底，质子交换退火工艺制作芯片的铌酸锂Y波导集成光学器件，具有较强的抗γ射线辐射能力。
参考文献：
[1]张桂才．光纤陀螺原理与技术．第一版．北京．国防工业出版社，2008
[2]杨家德，张蜀平等．集成光学技术及其应用．科学技术文献出版社，1999．8
[3]唐重林，柴常春等．铁电材料的核辐射效应．材料导报，2007．8，21（8）33-36
[4]Claeys.C，Simoen.E．先进半导体材料及器件的辐射效应．国防工业出版社，2008.3
[5]周南，牛胜利，丁升等．强脉冲离子束辐照－力学效应研究．强激光与粒子束，2000，12（2）249-253
[6]于庆奎，唐民等．用10MeVγ射线和钴60γ射线进行CCD空间辐射效应评估．航天器环境工程，2008.8，25（4）391-394
[7]Judith F，Briesmeister．MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code Version 4B．LA-12625-M，1997.3
论文作者:黄静
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
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