Пермские ученые создали 3D-модель для выявления опасных деформаций в оптоволокне

Геологи уже давно используют оптоволоконные кабели с медной оболочкой для предсказания извержений вулканов и землетрясений. Лазерный импульс проходит по стеклянной нити, и по изменениям его «эха» — интенсивности, времени задержки — специалисты судят о процессах в недрах земли. Однако при изготовлении такого волокна возникает скрытая проблема: медь при остывании сжимается сильнее кварца, создавая микроизгибы. Это искажает сигнал, и ученые рискуют пропустить первые признаки катастрофы.

Проблема в компьютерных моделях

Причина деформаций кроется в неточных компьютерных моделях, которые используют при проектировании кабеля. Они не учитывают, что кварцевое стекло и медь застывают при разных температурах. Кварц становится твердым при 1350–1450 °C, а медь начинает плавиться лишь при 1080 °C. Таким образом, пока металл еще мягкий, стекло уже испытывает нагрузки. Кроме того, прежние модели были плоскими и не показывали, как напряжения распределяются вдоль длины волокна.

Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского Политеха создали трехмерную модель. В ней каждый слой оптоволокна задан объемно, а для каждого задана своя начальная температура. Аспирант кафедры «Общая физика» Михаил Напарин пояснил: «Мы создали компьютерную копию волокна в объеме, со всеми его слоями и формой, а не плоскую картинку. Для кварцевого стекла — это 1350–1450 °C, где оно перестает быть вязкотекучим, для медного покрытия — около 1080 °C». Затем ученые рассчитали, как температура снижается до комнатных +25 °C.

Практический результат

Исследователи применили модель к существующим конструкциям. Они взяли волокно с кварцевой оболочкой диаметром 125 и 200 микрометров и медным покрытием толщиной 20 микрометров. Расчет показал: если увеличить толщину кварцевого слоя со 125 до 200 микрон, радиальные деформации сердцевины снижаются на 36% при неизменной толщине меди. «Более толстый слой кварцевой оболочки работает как амортизатор: он принимает на себя напряжения и меньше передает их на светопроводящую сердцевину», — объяснил заведующий кафедрой «Общая физика» Анатолий Перминов.

Новая модель позволит инженерам еще до запуска в производство подбирать оптимальную конструкцию оптоволокна для работы в экстремальных условиях — при высоких температурах, радиации или в агрессивной среде. Это повысит надежность систем мониторинга сейсмической активности и поможет предотвращать катастрофы. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика».