Ученые НИТУ «МИСиС» предложили технологию создания высокоточных датчиков на основе легированного оптоволокна для профилактики аварий в атомной, космической и добывающей промышленности.
Международная команда ученых под руководством приглашенного профессора кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС» Александра Кирьянова в сотрудничестве с Центром оптических исследований (г. Леон, Мексика) и Исследовательским институтом керамики и стекла (г. Калькутта, Индия) разработала технологию создания высокоточных автономных датчиков на основе оптоволокна. Созданное оптоволокно легировано редкоземельными и переходными металлами — эрбием, гольмием, висмутом и др., а также наночастицами серебра и кремния. Состав и соотношение лигандов (химических добавок) в кварцевой основе волокна оригинальны и обеспечивают уникальные свойства полученных волокон. Результаты исследования опубликованы журнале Laser Physics Letters.
По словам ректора НИТУ «МИСиС» Алевтины Черниковой, «в рамках реализации „Дорожной карты“ развития университета до 2020 года, в НИТУ „МИСиС“ был создан проект „Сенсоры ионизирующих излучений, температуры и магнитного поля“, который возглавил профессор кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников Александр Кирьянов. Работа по созданию нового оптоволоконного материала, которую ведет научный коллектив проекта, является ярким примером успешной международной коллаборации: состав волокна был разработан и протестирован в НИТУ „МИСиС“ (Россия) и в Центре оптических исследований (Мексика), а опытные образцы произведены на специфическом оборудовании в Исследовательском институте керамики и стекла (Индия)».
Высокая чувствительность получаемых волокон к изменениям температуры, давления, химического состава и радиационного фона окружения, их устойчивость к агрессивным средам и высокая резистентность к электромагнитным возмущениям, позволяет осуществлять с их помощью высокоточный мониторинг состояния крупномасштабных объектов (трубопроводы, скважины, АЭС, мосты) по ряду параметров. Задаваемая длина оптоволокна дает возможность измерять объекты больших (до сотни метров) габаритов. На околоземной орбите датчики на основе полученных волокон могут измерять состояние радиационного фона в космическом аппарате, дефекты его поверхности.
Датчики на основе такого оптоволокна эффективно и с высокой точностью регистрируют радиационное излучение различного типа в широком диапазоне доз, ультравысокие (до 1700°С) температуры, химический состав и электромагнитные поля. Протяженность оптоволокна позволяет проводить дистанционно удалённые измерения, например, полномасштабно мониторить состояние глубокой нефтяной скважины, шахты, трубопровода, агрегатов АЭС. Благодаря уникальным характеристикам, приборы на его основе будут востребованы в строительстве и геотехнике, аэрокосмической и нефтегазовой промышленности, сильноточной энергетике, включая атомную.
Как рассказал руководитель проекта Александр Кирьянов: «Оптоволоконный датчик — это или небольшое по размерам („точечное“) устройство (которое, в свою очередь, может быть элементом многокомпонентных детектирующих сетей, или интеррогаторов), или „пространственно-распределённый контур“, способный собирать информацию о детектируемых параметрах на больших расстояниях — в силу свойства волокна как принципиально „длинной“ среды. В первом случае, чувствительными элементами датчиков могут быть записанные в волокне Брэгговские решетки (спектрально-селективные фильтры). Их параметры, т.е. спектры отражения и пропускания, сильно зависят от состояния окружающей среды (давления, температуры, деформаций и т.д.) и, соответственно, служат основой детектирования. В формате „длинного датчика“ чувствительным элементом является вся длина используемого волокна — используемого либо в „пассивном“ режиме (и тогда детектируемыми параметрами являются, например, изменения в спектрах поглощения и пропускания легированного оптоволокна), либо в „активном“, когда оно является компонентом лазера (и тогда детектируемыми параметрами являются, например, релаксационная частота, оптический спектр или режим генерации лазера).
Наши исследования в рамках данного проекта нацелены на создание, комплексное исследование и применение волоконных датчиков второго типа с использованием специально разрабатываемых легированных волокон, полученных, в том числе, методом нано-инжиниринга. Такие волокна могут стать надёжным решением при работе в агрессивных средах, когда прибор на их основе находится в экстремальных условиях — к примеру, при термо-мониторинге нефтяных скважин или дозиметрии на АЭС».
