Ученые из Оксфордского университета разработали новый датчик из невероятно тонких нитей сапфира, который может выдерживать экстремальные температуры и радиацию. Прорыв называют решением 20-летней проблемы в этой области, и ученые, стоящие за ним, считают, что этот высокопрочный сенсор может быть использован в суровых условиях реакторов ядерного синтеза и позволит более рационально использовать воздушный транспорт.

Ученые из Университета Оксфорда разработали передовой сапфировый оптоволоконный датчик, имеющий ряд интересных перспективных возможностей. Julian Fells, University of Oxford

Тип датчика, лежащий в основе этого исследования, известен как датчик на основе решетки Фибера Брэгга (FBG), который может использоваться для мониторинга таких параметров, как температура и деформация в системах оптической связи. Такие сенсоры, как правило, изготавливаются из кварцевого оптического волокна, но при эксплуатационных температурах менее 1 000 °C (1 832 °F) эта технология начинает давать сбои.

Датчики FBG, изготовленные из сапфировых волокон, отличаются лучшей стабильностью при более высоких температурах, вплоть до 1 900 °C (3 452 °F). Такая конструкция может найти  применение в условиях экстремальных сред, таких как мониторинг газогенераторов реактивных двигателей. К тому же, сапфир невосприимчив к радиационному излучению, что делает его идеальным материалом для эксплуатации в атомных реакторах и космонавтике.

Однако у сапфировых FBG есть определенные нюансы. Такие волокна очень тонкие, их диаметр составляет не более 1/2 миллиметра, но это все равно намного больше длины волны света. Поэтому световое излучение может, отражается внутри волокон на разных длинах волн. А так как для измерения температуры датчик использует определенную длину волны отраженного света, то возникают определенные помехи, которые искажают сигнал и вызывают и выводят датчик из строя.

Чтобы преодолеть эту проблему, оксфордская команда с помощью фемтосекундных лазеров "прорезала" канал по всей длине сапфирового волокна, направив свет по прямому и узкому пути, (при этом ширина канавки составила одну сотую миллиметра). В результате получился сапфировый FBG-датчик, отражающий свет только одной длины волны.

"Такие сапфировые оптоволоконные технологии будут иметь самые разные области применения в условиях экстремальной эксплуатации термоядерных установок", - считает Роб Скилтон из UK Atomic Energy Authority (AEA). "Такой подход может значительно усилить возможности современных датчиков и автоматизированных систем управления в этой отрасли, помогая UKAEA выполнять свою миссию по обеспечению безопасной, устойчивой и низкоуглеродной термоядерной энергетики".

В своей нынешней конфигурации сапфировые сенсоры имеют длину около сантиметра (0,4 дюйма). Но, по мнению специалистов, разработка версий длиной в несколько метров всего лишь вопрос времени. Если говорить об аэрокосмической отрасли, то такой датчик позволит проводить измерения температур по всему объему реактивной турбины, обеспечивая возможность корректировки состояния механизма во время полета.

"Это замечательная новость и еще одно важное научное достижение, ставшее результатом нашего давнего партнерства с Оксфордским университетом", - сказал Марк Джеффрис, руководитель отдела по связям с научными исследованиями университета в Rolls-Royce. "Это фундаментальное научное открытие может со временем обеспечить более эффективное и точное многоточечное измерение температуры в суровых условиях, улучшая управление, эффективность и безопасность. Мы с нетерпением ждем совместной работы с Оксфордским университетом для изучения его потенциала".

Недавно СМИ сообщили о разработке американских исследователей из Университета Вашингтона, которые, вдохновившись семенами (achenium) одуванчика, разработали легкие сенсорные устройства, которые можно рассеивать с помощью дронов и использовать для постоянного мониторинга окружающей среды.

Исследование было опубликовано в журнале Optics Express.

Источники: Оксфордский университет, Optics Express.  (https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-9-15482&id=471605) (https://www.ox.ac.uk/news/2022-04-21-sapphire-fibre-could-enable-cleaner-energy-and-air-travel)