Российские ученые научились заранее выявлять опасные деформации в оптоволокне

Знаете ли вы, как предсказывают извержения вулканов, землетрясения или прорывы горячего пара на геотермальных станциях? Способов много: сейсмологи следят за подземными толчками, геохимики измеряют состав газов, спутники фиксируют движение земной коры. Все эти методы нужны, чтобы вовремя заметить опасность и предотвратить катастрофу. А геологи для этого же используют оптоволоконные кабели с медным покрытием.

Это тонкие стеклянные проводки, внутри которых бежит не электричество, а оптическое излучение — его подает специальный прибор на поверхности. Такой материал не боится ни жары, ни холода, ни радиации — поэтому кабель можно помещать в самые опасные и труднодоступные места: в раскаленную скважину глубиной 10 километров, в жерло дымящегося вулкана или в кипящий источник.

Внешняя оболочка из меди защищает хрупкое стекло от ударов и агрессивной среды. А сам луч света выступает в роли сверхчувствительного датчика. Прибор на поверхности посылает короткий лазерный импульс по стеклянной нити вниз, в скважину. По пути часть света рассеивается и возвращается обратно — как эхо в горах. Если внизу меняется температура, давление или порода начинает трещать, то «эхо» возвращается другим — меняется его интенсивность, частота или время задержки. Геологи на поверхности анализируют эти изменения и понимают, что происходит внизу: трещат ли горные породы перед обвалом, поднимается ли расплавленная магма или вот-вот прорвет горячий пар.

Но у медной защиты есть скрытая проблема. Она возникает прямо при изготовлении кабеля, на границе, где стеклянная сердцевина из кварцевого стекла соприкасается с покрытием. Медь при нагреве расширяется сильнее, чем стекло, а значит, и при охлаждении она сжимается больше. Когда волокно остывает после изготовления, медь «садится» на стеклянную сердцевину плотнее, чем нужно, и начинает ее сдавливать. Это вызывает микроскопические деформации — микроизгибы, которые искажают световой сигнал.

Геолог ждет от кабеля лазерное «эхо». Но из-за микроизгибов луч света рассеивается, часть сигнала теряется, а то, что доходит обратно, приходит с искажениями — меняется время задержки и падает интенсивность. Специалист на поверхности получает неверные данные. В худшем случае он может вообще пропустить первые признаки надвигающегося извержения или землетрясения.

Причина этих сбоев кроется в неточных компьютерных моделях, которые используют при проектировании кабеля. Инженеры создают виртуальную копию волокна, задают свойства материалов и смотрят, что происходит при остывании. Но у таких расчетов есть два серьезных недостатка. Первый — они считают, что все слои оптоволокна — и кварц, и медь — начинают твердеть одновременно при одной температуре. Но это ошибка, так как кварцевое стекло становится твердым при 1350–1450°C, а медь — только при 1080°C начинает плавиться. То есть пока металл еще мягкий и текучий, кварц уже твердый и накапливает внутренние нагрузки (силы сжатия). Второй недостаток: такие модели плоские — как рисунок на листе бумаги. На нем можно увидеть только очертание кабеля, но не то, как напряжения распределяются вдоль его длины. А в реальном волокне микроизгибы могут появиться на любом участке длинной нити, и плоский алгоритм их просто пропускает.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха создали трехмерную компьютерную модель, которая впервые учитывает разную температуру застывания слоев и представляет оптическое волокно не как плоский круг, а как реальный объемный цилиндр. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика».

— Суть нашей работы в том, что мы создали трехмерную модель, то есть компьютерную копию волокна в объеме, со всеми его слоями и формой, а не плоскую картинку. И задали для каждого такого слоя свою начальную температуру. Для кварцевого стекла — это 1350–1450°C, интервал, где оно перестает быть вязкотекучим и начинает накапливать напряжения. Для медного покрытия использовалась температура плавления, примерно 1080°C, — рассказал Михаил Напарин, аспирант кафедры «Общая физика» ПНИПУ.

В специальной инженерной программе ученые рассчитали, как температура оптического волокна снижается от этих значений до комнатной +25°C. Именно до такого уровня оно остывает во время изготовления, прежде чем его начнут использовать. Чтобы убедиться, что расчеты верны, они повторили их несколько подходов, каждый раз разбивая область, где проводятся вычисления, на более мелкие части. Расхождение между разными расчетами не превысило 1,5% — это значит, что модель имеет низкую относительную погрешность.

Затем исследователи применили этот подход к существующим конструкциям. Они взяли оптическое волокно с кварцевой оболочкой диаметром 125 микрометров (0,125 миллиметра, это примерно в два раза толще человеческого волоса) и 200 микрометров (0,2 миллиметра) и медным покрытием толщиной 20 микрометров (0,02 миллиметра).

Рабочий процесс / © Пресс-служба ПНИПУ

Для чистоты эксперимента они рассчитали два варианта: волокно с медным покрытием и без него — только кварцевую часть. Когда оптическое волокно остывает, сжатия и растяжения возникают и от самого кварца, и от меди. Сравнив два варианта, ученые смогли отделить «естественные» изменения кварца от тех, которые добавляет именно металлическое покрытие. Так они поняли, насколько сильно медь сдавливает сердцевину и как это можно уменьшить.

— Расчет показал, что если увеличить толщину кварцевого слоя, который находится между сердцевиной и медью, со 125 до 200 микрон, то радиальные деформации сердцевины снижаются на 36%, толщина самой меди при этом не меняется. Более толстый слой кварцевой оболочки работает как амортизатор: он принимает на себя напряжения и меньше передает их на светопроводящую сердцевину. Составленная модель позволит в будущем учесть неравномерность медного покрытия и влияние микроизгибов на светопроводящие свойства оптического волокна, — прокомментировал Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

А.В. Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук / © Пресс-служба ПНИПУ

Представьте, что вы надеваете на руку тугой металлический браслет. Если под него подложить тонкую ткань, руке все равно будет больно. А если толстый мягкий рукав — он примет удар на себя, и руке станет легче. Здесь то же самое: более толстый слой кварца работает как «подушка». Он берет на себя напряжение от сжимающейся меди и не передает его туда, где бежит световой сигнал.

Благодаря новой разработке инженеры заранее, еще до запуска в производство, смогут определить оптимальную конструкцию оптоволокна для работы в экстремальных условиях — при высоких температурах, радиации или в агрессивной среде. Этот подход позволяет просчитать разные варианты: толщину оболочки, диаметр волокна и материалы покрытия. Модель сразу покажет, где возникнут опасные напряжения и не исказится ли световой сигнал.

В перспективе это поможет создавать более надежные оптоволоконные датчики для нефтяной и газовой промышленности, геотермальной энергетики, атомных реакторов и космической техники — везде, где нужна точная передача данных в самых жестких условиях.