Оптоволокно, устойчивое до 500 °C, для надежных высокотемпературных применений

Непокрытое кремнестеклянное оптоволокно выдерживает >600 °C. Но волокна нуждаются в защите от среды. Стандартные телеком-покрытия (акрилат) — до 85 °C. Специальные — полиимид — до 300 °C. Широко используются в нефтегазе для связи и сенсирования в пластах.

Для >300 °C привлекательны металлические покрытия. Существующие — непригодны для геотермальных скважин из-за высоких потерь на низких температурах. Нефтепереработка тоже выигрывает от высокотемпературных измерений с низкими потерями >300 °C. Потери и их изменения при циклировании обусловлены микрогибами и большим несовпадением коэффициентов термического расширения (КТР) металла и стекла. Тонкие металлические покрытия могут помочь, но производство длинных высококачественных волокон с контролируемой толщиной нетривиально.

В статье демонстрируется металлически покрытое волокно до 500 °C, сохраняющее низкие потери при циклировании между комнатной температурой и 500 °C, даже при низких температурах.

Дизайн волокна

С 1980-х известно: водород в кремнестекле индуцирует потери на специфических длинах волн за счет поглощения водородосодержащих видов. Стандартные одно- и многомодовые волокна (германий/фосфор в ядре) драматически деградируют в водороде даже при комнатной температуре. Водород диффундирует в ядро, мигрирует в интерстициалы или связывается с дефектами (SiO, GeO, P-O). Потери достигают сотен дБ/км — непригодны для передачи света.

AFL выбрал инновационный подход: модификация дизайна стекловолокна для предотвращения оптической деградации в агрессивной среде. Устранены легирующие добавки, создающие дефекты: германий, фосфор, бор. Ядро — чистый кварц с фторированием для градиентного индекса многомодового волокна. Бренд Verrillon® VHM5000 — 0,2 NA 50/125 мкм GIMMF.

VHM5000 использовано как база для золотого покрытия толщиной ~3–5 мкм (стандарт 15–25 мкм). SEM-срез показывает хорошую концентричность и целостность покрытия.

Металл-покрытые волокна в as-drawn состоянии могут иметь потери 20–100 дБ/км при комнатной температуре. Рисунок 2: спектральная аттенюация VHM5000 с золотым покрытием при комнатной температуре (88 м, свободная катушка 300 мм). Потери сравнимы с акрилат/полиимид, а не с высокими коммерческих металл-покрытых.

Металл-покрытые волокна склонны к «холодному сварке» с металлами или самим собой значительно ниже температуры плавления. AFL запатентовал процесс предотвращения этого — применен ко всем тестовым волокнам.

Результаты и обсуждение

Рисунок 3: 6 температурных циклов VHM5000 с золотым покрытием между комнатной температурой и 375 °C. OTDR, каждые 5 мин. Волокно 40 м, свободная катушка 114 мм. Цикл: нагрев 30 °C/ч до 375 °C, выдержка 24 ч, охлаждение 30 °C/ч до 60 °C, затем естественное охлаждение. Мониторинг 850 нм.

43 м VHM5000 с золотым покрытием в печи 500 °C 900 часов. OTDR после — цикл комнатная–500 °C. Рисунок 4: нагрев 30 °C/ч до 500 °C, выдержка 34 ч, выключение печи, естественное охлаждение. Длина волны 850 нм.

Заключение

Демонстрировано металл-покрытое оптоволокно с низкими потерями до 500 °C. Валидация OTDR. Циклирование показало устойчивость к многократному расширению/сужению покрытия. Потери и при комнатной, и при высокой температуре значительно ниже любых опубликованных для металл-покрытых волокон.

900-часовая выдержка и последующая оценка подтвердили работоспособность после длительного воздействия 500 °C. Процесс позволяет производить непрерывные длины до 3,5 км.

Авторы: Уильям Якобсен, старший инженер; Абдель Суфьян, PhD, GM и CTO; Джон Д'Урсо, главный инженер; AFL Specialty Fibers (North Grafton, MA). Подробнее: здесь.

Ссылки

1. Reinsch, T., Henninges, J. «Temperature Dependent Characterization of Optical Fibres for Distributed Temperature Sensing in Hot Geothermal Wells», Meas. Sci. Technol., 21, 2010.
2. Bogatyrev, V.A., Semjonov, S. «Metal-Coated Fibers», Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491-512, 2007.
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., Burrus, C.A. «Gas-in-glass—a new Raman-gain medium: molecular hydrogen in solid-silica optical fibres», Opt. Lett., 7, 297-299, 1982.
4. Weiss, J. «Downhole geothermal well sensors comprising a hydrogen-resistant optical fiber», US Patent 6,853,798 B1, 2005.