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46 Sc Gamma-Ray Assembly for Studying Erbium and Erbium-Ytterbium Doped Optical Fibers for Space Applications

Clarent Diep

Master's thesis (2022)

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Abstract

With the effervescence of the Internet by satellite, the search for the best yield of the telecommunication systems is essential to offer the highest bit rate. In these systems, rare-earth doped fibers (REDFs), used to amplify the signal, are the main components that limit the system. Their effectiveness is greatly affected by their exposure to radiation present in space. Thus, before sending these devices for space missions, a terrestrial accelerated-radiation test is carried out on the REDFs to verify their performance against radiation. These tests use a dose rate at least ten times faster than that in space for economic and time-saving purposes. They are currently the standard in research and development. However, there is a controversy over the effect of the irradiation dose rate on REDFs. Some studies claim that a lower dose rate induces greater performance loss, while others claim the opposite. This project aims to clarify the behavior of REDFs in space and to demystify whether their losses are more significant in space than in accelerated-radiation tests. This thesis focuses on developing and using a new terrestrial accelerated-radiation test for REDFs with a dose rate analogous to that in space. Based on 46Sc instead of 60Co customarily used, this low dose rate gamma irradiator allowed the performance study of seven rare-earth doped fiber amplifiers (REDFAs). In this test, only the fibers were facing gamma-ray irradiation, producing radiation-induced attenuation (RIA) on them, whereas the electronic and optoelectronic parts of the amplifiers were outside of the irradiation area. The irradiator mechanical structure was designed and built in a cylindrical shape of 208 mm in height and 102 mm in outer diameter. These specifications were chosen so that the irradiator could be inserted into a cylindrical lead shielding that was hosting the installation with the radioactive sources. These sources consisted of four vials filled with 46Sc positioned on the axis of revolution of the cylinder. This allowed a homogeneous gamma-ray dose rate on the surface of the cylinder, where the optical fibers were spooled. The relative activity and position of each 46Sc vial in the setup were modeled and optimized to obtain homogeneous radiation distribution along the surface of the irradiator cylinder.

Résumé

Avec l'effervescence de l'internet par satellite, la recherche pour le meilleur rendement des systèmes de télécommunication est essentielle pour offrir le débit le plus élevé. Dans ces systèmes, les fibres dopées aux terres rares (REDF), utilisées pour amplifier le signal, sont les principaux composants limitant le système. Leur efficacité est grandement affectée par leur exposition aux rayonnements présent dans l’espace. Ainsi, avant d'envoyer ces appareils en missions spatiales, un test d’irradiation accéléré est effectué sur les REDFs pour vérifier leurs performances face aux radiations. Ces tests utilisent un débit de dose au moins dix fois plus rapide que celui dans l'espace à des fins économiques et de gain de temps. Ceux-ci sont actuellement la norme en recherche et développement. Cependant, il existe une controverse sur l'effet du débit de dose d'irradiation sur les REDFs. Certaines études prétendent qu'un débit de dose plus faible induit une perte de performance plus importante, alors que d'autres prétendent le contraire. Ce projet vise à clarifier le comportement des REDFs dans l'espace et à démystifier si leurs pertes sont plus importantes dans l'espace que dans les tests d’irradiation accélérés. Ce mémoire porte sur le développement et l'utilisation d'un nouveau test d’irradiation accéléré pour les REDFs atteignant un débit de dose analogue à celui dans l'espace. Basé sur le 46Sc au lieu du 60Co habituellement utilisé, cet irradiateur gamma à faible débit de dose a permis l'étude de performance de sept amplificateurs à fibre dopée aux terres rares (REDFAs). Dans ce test, seules les fibres étaient exposées aux rayonnements gamma, leur induisant une atténuation induite par rayonnement (RIA), alors que les parties électroniques et optoélectroniques des amplificateurs étaient en dehors de la zone d'irradiation. La structure mécanique de l'irradiateur a été conçue et construite de forme cylindrique de 208 mm de hauteur par 102 mm de diamètre extérieur. Ces spécifications ont été choisies afin que l'irradiateur puisse s'insérer dans un blindage cylindrique en plomb, abritant l'installation avec les sources radioactives. Ces sources étaient constituées de quatre flacons remplis de 46Sc positionnés sur l'axe de révolution du cylindre. Ceci a permis un débit de dose de rayons gamma homogène à la surface du cylindre, là où les fibres optiques étaient enroulées. L'activité relative et la position de chaque capsule de 46Sc dans le montage ont été modélisées et optimisées afin d’obtenir une distribution des rayonnements gamma homogène de la surface du cylindre de l'irradiateur sur sa longueur.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Cornelia Chilian, Jamal Chaouki and Emile Haddad
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10742/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 17 Jul 2023 11:52
Last Modified: 13 Apr 2024 05:42
Cite in APA 7: Diep, C. (2022). 46 Sc Gamma-Ray Assembly for Studying Erbium and Erbium-Ytterbium Doped Optical Fibers for Space Applications [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10742/

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