[论文解读] Radiation Resistance of Ge-doped Multi-Mode Fiber for Optical Links in Collider Experiments

Datao Gong, Suen Hou+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2026

Glass properties and applications被引用 0

一句话总结

该论文评估Ge掺杂的多模光纤在Co-60 γ辐射下的辐射耐受性，识别出两种具有强耐受性的光纤类型，并指出在数小时内的退火有效。

ABSTRACT

The applications of optical links in collider experiments provide the advantage of high-speed data transmission with low mass fibers over distances of a few hundred meters. Ge-doped multi-mode fibers are evaluated for radiation tolerance in ionizing doses of Co-60 gamma rays. The Radiation-Induced Attenuation (RIA) varies significantly depending on doping substances and fabrication technologies. A type of telecom-grade fiber has demonstrated an RIA of 0.05 dB/m under a total ionizing dose of 300 kGy(SiO2). The dependence on dose rate is compared in the range between 5 Gy/hr and 1.4 kGy/hr, and the annealing recovery is observed after the Co-60 source is shielded. The temperature dependence is investigated across a range of -15 oC to room temperature. At cold temperatures, stagnant annealing leads to a substantially higher RIA during irradiation. The recovery of radiation-induced defects is typically within a few hours, resulting in similar RIA levels regardless of the dose rate and temperature during exposure. Ge-doped fibers of chosen fabrication methods are capable of enduring high ionizing doses for use in high-energy physics experiments.

研究动机与目标

• 在需要辐射硬度的高能实验中推动使用低质量光链路。
• 表征Ge掺杂MMF在Co-60γ辐射下的辐射诱导衰减（RIA）。
• 比较辐照和退火过程中的剂量率与温度的依赖性。
• 研究辐射缺陷的退火恢复动力学以及在对撞机环境中的实际运行条件。

提出的方法

• 用Co-60 γ射线对来自不同制造商的Ge掺杂MMF样品在剂量率从3 Gy(SiO2)/hr到1.4 kGy(SiO2)/hr范围内进行辐照。
• 在辐照期间及屏蔽退火阶段持续测量透射光功率。
• 将光纤样品置于温控水浴中，温度控制从-15 °C到室温。
• 使用Alanine剂量计进行累积剂量标定，并结合EPR分析，光功率测量不确定度为8%。
• 将观测到的RIA对总电离剂量（TID）拟合为对数模型和线性模型，以评估剂量率与温度的依赖性。
• 在不同剂量率和温度下评估两种光纤类型，以评估辐射耐受性与恢复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ge掺杂MMF在总剂量至少达到300 kGy时的辐射诱导衰减（RIA）行为如何？
• RQ2 辐照过程中的剂量率与温度如何影响瞬时RIA及退火恢复？
• RQ3 选定的Ge掺杂光纤制造方法是否能在高剂量下实现0.05 dB/m的RIA？
• RQ4 在不同温度下，辐射缺陷的退火恢复的有效性与时间尺度如何？
• RQ5 在测试范围内观察到的RIA是否对剂量率或温度呈现依赖性？

主要发现

• 两种Ge掺杂光纤类型显示出强烈的辐射耐受性，辐射缺陷的退火在数小时内即可实现。
• 一种光纤类型在累积剂量为300 kGy(SiO2)时达到0.05 dB/m的RIA。
• 对于某些非辐射硬化光纤，在累积剂量达到1 kGy(SiO2)时RIA高达4 dB/m，便于对比显示出显著衰退。
• 退火在辐照的剂量率和温度无关，屏蔽后可获得显著的恢复。
• 在-15 °C时，辐射缺陷更易累积，瞬时RIA是13 °C的两倍，但屏蔽后各温度下的RIA恢复到相近水平。
• 对于辐射耐受光纤，RIA对TID呈现大致对数关系；在接近100 kGy之后，Type-M光纤需要采用线性模型以描述更高的TID表现。