СВЧ-ПЛАЗМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТЫ ОПТОВОЛОКНА

При эксплуатации оптоволоконных линий связи в условиях повышенной влажности наблюдается возрастание затухания в волоконных линиях, что обусловлено так называемой «водородной деградацией» кабеля. Данный эффект обусловлен накоплением водорода в объеме кварцевых жил кабеля, причиной которого являлось как выделение водорода из материалов элементов конструкции кабеля, так и образование водорода из-за электрохимических процессов, протекающих между металлическими элементами кабеля, и последующей диффузией образовавшегося водорода в кварцевые жилы через акриловое покрытие световодной жилы.

Защита световодного волокна от «водородной деградации» возможна путем нанесения на оптоволокно слоя углеродного алмазоподобного покрытия методом осаждения в плазме СВЧ-разряда. Стандартное оптоволокно представляет собой центральную кварцевую жилу, на поверхность которой нанесен защитный слой полимера на основе азотсодержащего органического вещества — акрила. В связи с этим двухступенчатая технологическая схема включает:

  • • активацию поверхности полимера путем обработки ее в азотной плазме тлеющего разряда;
  • • нанесение собственно алмазоподобного покрытия в плазме СВЧ- разряда при использовании в качестве рабочего газа смеси ацетилена и водорода.

На первом технологическом этапе при давлении азота в рабочей камере 0,5—10 тор на поверхности полимера формируется слой, насыщенный азотом и имеющий свободные валентные связи для обеспечения высокой адгезии углерода алмазоподобной пленки. На втором технологическом этапе при парциальных давлениях соответственно ацетилена в интервале 0,1—3 тор и водорода в интервале 3—10 тор на поверхность волокна осаждается собственно алмазоподобная углеродная пленка.

На рис. 3.45 приведена схема технологической установки для нанесения на оптоволокно защитного углеродного алмазоподобного покрытия, призванного служить сорбентом водорода и обеспечить тем самым защиту оптоволокна от «водородной» деградации.

Схема лабораторной технологической установки для нанесения углеродного

Рис. 3.45. Схема лабораторной технологической установки для нанесения углеродного

покрытия на оптоволокно:

  • 7 — фторопластовая катушка; 2— приемная катушка; 3 — электродвигатель; 4,5 — модули дифференциальной откачки; 6, 7 — плазменные блоки; 8—газовый буфер;
  • 9—фторопластовые вкладыши; 10-12 — форвакуумные насосы; 13 — пластины из нержавеющей стали; 14 — кварцевая трубка; 15 и 16 — натекатель и баллон с азотом; 77 — датчик давления; 18—диск на подшипнике; 19л20 — натекатель и баллон с ацетиленом; 21 и 22 — натекатель и баллон с водородом; 23 — датчик давления;
  • 24 — СВЧ-энергия; 25 — волновод; 26 — СВЧ-поршень

Оптоволокно, имеющее вместе с полиакриловым покрытием диаметр 200 мкм, сматывается с фторопластовой катушки /, снабженной подтормаживающим устройством, и наматывается на приемную катушку 2, которая находится на валу электродвигателя постоянного тока 3, причем скорость вращения вала двигателя можно изменять, меняя напряжение на статоре и роторе двигателя. Установка содержит два модуля дифференциальной откачки 4 и 5, обеспечивающих перепад давления и, соответственно, возможность установки требуемых давлений рабочих газов в плазменных блоках. Модули дифференциальной откачки соединены с форвакуумными насосами 10, причем оптоволокно проходит через каналы фторопластовых вкладышей 9, имеющих толщину 10 мм и диаметр центральных отверстий 300 мкм. Такой же вкладыш установлен между плазменными блоками 6 (блок тлеющего разряда) и 7(блок СВЧ-разряда). Это обеспечивает возможность формирования в каждом плазменном блоке газовой среды требуемого состава и давления. Блок 6 имеет объем 9,5 л, а блок ^объемом 22,5 л является газовым буфером СВЧ-плазменного блока 7и обеспечивает стабильность давления рабочих газов в данном блоке. Блок 6 откачивается форвакуумным насосом 77, а блок 7 — форвакуумным насосом 12. При этом насосы 77 и 72снабжены дросселями, позволяющими регулировать скорость откачки газов из плазменных блоков. В блоке 6 на изоляторах размещены две пластины из нержавеющей стали 13, между которыми при перемотке проходит оптоволокно и которые предназначены для формирования области тлеющего разряда. Расстояние между пластинами составляет 10 мм, их ширина — 15 мм, длина вдоль протяжки оптоволокна — 80 мм. В СВЧ-плазменном блоке 7 размещена кварцевая трубка 14 с внутренним диаметром 40 мм и длиной 230 мм, которая и является СВЧ-плазменным реактором. Трубка 14 герметично уплотнена фторопластовыми прокладками по верхнему и нижнему торцам, что позволяет формировать в трубке газовую среду требуемого состава и давления. При этом снаружи трубки газовая среда — воздух атмосферного давления, а внутри — смесь водорода и ацетилена. Сам СВЧ-плазменный блок 7 выполнен в виде цилиндрического СВЧ-резонатора с закрытыми торцами и имеет внутренний диаметр 90 мм и высоту 230 мм. Напуск азота в камеру 6 осуществляется через натекатель 75из баллона с азотом 16, снабженного редуктором и манометром давления. Давление рабочего газа в камере 6 измеряется термопарным датчиком давления 77типаПМТ-4. Поворот оптоволокна при его движении в установке осуществляется с использованием двух дисков 18, имеющих канавки для оптоволокна и размещенных на подшипниках. Напуск ацетилена в камеру 8 и, соответственно, внутрь трубки 14, осуществляется с помощью электрически управляемого натекателя 19 из баллона с ацетиленом 20, снабженного редуктором и манометром давления ацетилена. Напуск водорода осуществляется через натекатель 27 из баллона с водородом 22, снабженного редуктором и манометром давления водорода. Суммарное давление рабочих газов в камере 24 в резонатор 7подается через прямоугольный волновод 25 сечением 90x45 мм, причем сторона волновода 90 мм расположена параллельно оси резонатора 7. На противоположной стороне резонатора установлен СВЧ-поршень 26, имеющий сечение 90 45 мм и предназначенный для выбора моды (вида) колебаний в СВЧ-резонаторе.

На рис. 3.46 приведена схема СВЧ-плазменного модуля для нанесения алмазоподобных пленок на оптоволокно.

17

Схема СВЧ-плазменного модуля для нанесения алмазоподобных пленок на

Рис. 3.46. Схема СВЧ-плазменного модуля для нанесения алмазоподобных пленок на

оптоволокно:

волноводный переход: 3 — источник питания: 4 — СВЧ-циркулятор; 5 — водяная нагрузка: 6 — СВЧ-измерительный крест; 7,9—СВЧ-диоды; 8,10 — микроамперметр: 11 — СВЧ-трансформатор; 12—СВЧ-плазменный резонатор: 13 — кварцевый реактор:

14 — СВЧ-поршень; 15 — смотровое окно; 16 и 17 — измерительные СВЧ-диод и микроамперметр

СВЧ-излучение генерируется магнетроном 1 типа М-105-1, установленным на коаксиально-волноводном переходе 2. Рабочая частота магнетрона — 2450 МГц, генерируемая мощность — до 800 Вт. Внутреннее сечение волноводного тракта — 90x45 мм. СВЧ-генератор питается от источника питания 3, который обеспечивает регулировку выходной мощности генератора в интервале 50-5-800 Вт со стабилизацией тока магнетрона. СВЧ-излучение от генератора 1 проходит через СВЧ-циркулятор 4, который направляет СВЧ-энергию волны, отраженной от плазмы, в водяную нагрузку 5, долее проходит через СВЧ - измерительный крест 6, трехштырьковый подстроечный СВЧ-трансформатор 11 и поступает в СВЧ-плазменный резонатор 12, в котором расположен кварцевый реактор 13. На левом и правом плечах измерительного креста установлены СВЧ-диоды 7и 9, сигнал от которых измеряется микроамперметрами 8и 10. При соответствующей калибровке СВЧ-измерительный крест позволяет измерять мощность СВЧизлучения, направляемого на поддержание СВЧ-разряда, и мощность СВЧ-излучения, отраженного от СВЧ-разряда. Резонатор снабжен смотровым окном 15 и измерительным СВЧ-диодом 16, соединенным с измерительным микроамперметром 17. Назначение данного измерительного устройства — индикация моды СВЧ-колебаний, генерирующей СВЧ-разряд. СВЧ-излучение, прошедшее через СВЧ-резо- натор, поступает в СВЧ-поршень 14, который обеспечивает полное отражение поступающего в него СВЧ-излучения и, соответственно, выбор моды СВЧ-колебаний. Регулировкой положения СВЧ-порш- ня при выбранной геометрии СВЧ резонатора могут быть реализованы две моды СВЧ-колебаний — Нпз и Н213.

Блок тлеющего разряда. На рисунке 3.47 приведена зависимость газовой температуры разряда в блоке тлеющего разряда от давления рабочего газа при использовании в качестве рабочего газа азота.

Зависимость газовой температуры разряда от давления газа

Рис. 3.47. Зависимость газовой температуры разряда от давления газа

Плотность тока тлеющего разряда j можно приближенно представить в виде соотношения:

где е — заряд электрона; п — концентрация носителей заряда; р — подвижность носителей заряда; Е - напряженность электрического поля.

В этом случае можно ввести параметр К, характеризующий плазмохимическую эффективность тлеющего разряда при воздействии его на оптоволокно:

График зависимости данного параметра от давления рабочего давления азота приведен на рис. 3.48.

Зависимость плазмохимической эффективности разряда от давления рабочего

Рис. 3.48. Зависимость плазмохимической эффективности разряда от давления рабочего

газа

С ростом давления рабочего газа увеличивается газовая температура разряда, но в еще большей степени увеличивается плазмохимическая эффективность разряда. Это иллюстрирует зависимость отношения плазмохимической эффективности к температуре разряда К/Т от температуры разряда, представленная на рис. 3.49.

Зависимость отношения эффективности разряда к тепловой нагрузке на оптоволокно от температуры разряда

Рис. 3.49. Зависимость отношения эффективности разряда к тепловой нагрузке на оптоволокно от температуры разряда

В области А плазмохимическая эффективность растет пропорционально тепловой нагрузке на оптоволокно, а в области В она растет существенно сильнее тепловой нагрузки. Поэтому оптимальным режимом обработки оптоволокна в азотной плазме тлеющего разряда является давление азота, равное 6,5 тор, при токе разряда более 50 мА. При этом газовая температура плазмы составит примерно 330—340 °С, а напряжение на разрядной камере — 330-340 В.

Блок СВЧ-разряда. На рис. 3.50 приведены зависимости газовой температуры СВЧ-разряда в среде водорода, содержащего 5% ацетилена, при суммарном давлении смеси 1, 3 и 5 тор. Цифры у кривых указывают на величину давления газовой смеси.

Зависимость температуры разряда от СВЧ-мощности при различных значениях

Рис. 3.50. Зависимость температуры разряда от СВЧ-мощности при различных значениях

давления смеси газов

При малом давлении смеси в резонаторе реализуются колебания с высокой газовой температурой. При увеличении давления может быть реализован режим плазменного разряда с достаточно низкой газовой температурой на моде Н2| 3. Электронная температура плазмы на моде Н|]3 составляет 3,52 эВ, а на моде Н213 — 2,0 эВ. Значения электронной концентрации в плазме в зависимости от СВЧ-мощности приведены на рис. 3.51.

Зависимость электронной концентрации плазмы от СВЧ-мощности

Рис. 3.51. Зависимость электронной концентрации плазмы от СВЧ-мощности

Таким образом, разработанное СВЧ-устройство позволяет эффективно управлять величиной электронной концентрации в плазме, электронной и газовой температурой плазмы, регулируя подводимую мощность СВЧ-излучения и положение СВЧ-поршня.

Итоговый технологический режим формирования защитного покрытия имел следующие параметры:

Обработка в азотной плазме тлеющего разряда:

  • • рабочий газ — азот;
  • • давление рабочего газа — 6,5 тор;
  • • ток разряда — 75 мА;
  • • напряжение на электродах разрядной камеры — 335 В;
  • • газовая температура разряда — 340 °С;

Последующая обработка в плазме СВЧ-разряда:

  • • рабочий газ — Н2 + 5%С2Н2;
  • • парциальное давление ацетилена — 0,5 тор;
  • • парциальное давление водорода — 5,0 тор;
  • • подаваемая в резонатор СВЧ -мощность — 300 Вт;
  • • мода СВЧ-колебаний в резонаторе — Н213;
  • • скорость перемотки волокна — 12 м/мин.

Результаты измерения затухания оптоволокна с нанесенной алмазоподобной пленкой после выдержки его в водороде в течение 24 ч при температуре 100 °С и давлении 0,51 -105 Па (0,5 атм) показали, что спектр затухания практически не отличается от спектра исходного оптоволокна без алмазоподобного покрытия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >