20世纪70年代，光纤传感技术伴随着光纤通信技术迅速发展起来，成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。现有已知的光纤传感技术有上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、液位、速度、声场、磁场及辐射等物理量实现了不同性能的传感，所以光纤传感技术已经被广泛应用在多个领域，比如军事、国防、工矿企业、计量测试、工业控制等方面。光纤作为一种新型的传感器件优势在于它抗电磁干扰，能耐高温，对温度、应变等外界变化比较敏感，并且价格便宜，容易获得^[1-5]。

钍基熔盐堆(Thorium based Molten Salt Reactor, TMSR)是一种液态燃料堆，使用的冷却剂是熔融状态的氟化盐，具有高温高腐蚀性的特点。基于光纤传感器对温度的敏感性，可以考虑将其应用在监测熔盐管道温度的变化和管道的泄漏等方面。由于熔盐具有较强的腐蚀性，所以需要寻找一种既能耐受熔盐的高温，又可以耐熔盐腐蚀的光纤。

光纤的主要结构包括纤芯、包层和涂覆层，其中纤芯和包层为光纤结构的核心部分，这部分对光波的传播起决定性的作用。涂覆层部分保护光纤不受外界的侵蚀及机械擦伤等，同时还增加了光纤的柔韧性，延长了光纤的寿命。纤芯的成分是高纯度二氧化硅，包层的成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅，二氧化硅熔点为1650 ℃，因此光纤的耐温主要取决于涂覆层材料。

目前，国际上耐高温光纤主要有以下4种：耐高温丙烯酸树脂涂层光纤、有机硅胶涂层光纤、聚酰亚胺涂层光纤和金属涂覆光纤^{[1, 4-6]}。

耐高温丙烯酸树脂涂层光纤。涂层一般采用光固化高温丙烯树脂进行涂覆，可在85-150 ℃环境下长期稳定使用，涂覆层可直接用剥线钳进行剥离。

有机硅胶涂层光纤。首先，采用有机硅胶双层涂覆技术使光纤直径达245 μm。然后，在硅胶层外紧包一层聚四氟乙烯套。硅胶涂覆的固化工艺主要有两种方式：热固化和紫外线(Ultraviolet, UV)固化。有机硅胶涂层光纤的耐温段在200 ℃温度段，能够在200 ℃环境下长期使用，不过它的生产成本较高，效率较低，还需要后期涂层热处理。

聚酰亚胺涂层光纤。这是一种理论上能够在300℃环境下长期使用的更高温度的光纤，可以在350~400 ℃环境下短期使用。与前两种光纤相比，聚酰亚胺涂层光纤的生产工艺比较复杂，涂层固化时间也比较长，所以生产效率相对也较低；涂覆层的剥离需采用火焰烧蚀、烤箱或马弗炉加热、等离子电弧烧蚀、CO₂激光器加热烧蚀、准分子激光蚀刻和硫酸腐蚀等方法。

金属涂层光纤。它是将耐高温的金属材料涂覆在裸纤芯上，采用的方法主要有化学镀法、电镀法、熔融涂覆法和材料溅射薄膜法等。与前三种耐高温光纤相比，金属涂覆的工艺最为复杂，同时也具有前三种光纤无法企及的优势：热膨胀系数低、抗腐蚀、耐应力性最好、机械强度高、耐疲劳、抗水、抗氢性能好等。金属涂层只能通过加热硫酸溶解或者王水溶解进行剥除。金属涂层光纤可以在高于400℃的空气氛围环境下使用。

TMSR回路中使用的氟盐，通常情况下温度在530~700 ℃，因此如果想在此高温环境下使用光纤传感器，只能选择金属涂层光纤进行实验。

我们采用了耐温可达700 ℃的镀金光纤做耐熔盐腐蚀实验。所用熔盐为FLiNaK熔盐，熔盐中不可避免地会有一些杂质，其中会有生产用水中引入的较多Ca元素、较多的酸根离子（如SO₄^2-）等^[7]。

将高温光纤置于装入氟盐的坩埚中，坩埚的内径尺寸为2 cm，高6 cm。为了确保光纤处于坩埚中间，在坩埚盖子的中间钻孔，令光纤的尾端穿出；为了保证光纤底端能够保持浸没在熔融状态的氟盐中，将光纤中间绕成圆环状，并加入氟盐12 g，使得液态盐的液面高度可以浸没光纤圆环部位。光纤及坩埚如图 1所示。

图 1

图 1 镀金高温光纤(a)和坩埚(b) Figure 1 Gold plated high temperature fiber (a) and crucible (b)

第一次实验将放置好光纤和氟盐的坩埚放到惰性气氛的高温加热炉里，将加热温度设置为600 ℃，加热时间设置为24 h。第二次试验将样品在650 ℃环境下加热48 h。

在600 ℃时加热24 h，将熔盐及样品从坩埚中倒出，由于温度下降，熔盐迅速凝结，结果只取出少量样品，样品表面呈黑色，初步分析是较厚的熔盐层（图 2）。

图 2

图 2 第一次实验的光纤样品 Figure 2 Fiber samples for the first experiment

由于第一次实验获得的样品较少，第二次实验我们不仅将温度升至650 ℃，且改变了样品取出的方法和加热时间，将光纤样品加热48 h后，不将坩埚拿出高温环境，将样品直接从坩埚中取出，样品表面仍然呈金黄色（图 3），放入去离子水中，用超声波将光纤样品清洗一遍。可以看到，容器中有一些白色沉淀物，应是光纤表面附着的一些氟盐。

图 3

图 3 第二次实验的光纤样品 Figure 3 Fiber samples for the second experiment

取几段600 ℃温度实验样品在扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)下观察，从图 4中可见样品表面有很多的附着物，还可清晰看到附着物与金层之间的分层。由于取出方法不恰当，样品断为几节，观察断面处可看到包覆层由于外力造成的变形，内部纤芯完整未见腐蚀迹象。

图 4

图 4 在扫描电镜下观察到的样品表面(a)和截面(b) Figure 4 The surface (a) and section (b) of the samples observed under a SEM

在650 ℃高温下完全取出样品后，分别取浸在氟盐中的两段样品和在液面以上处于氟盐蒸汽中的一段样品，与位于坩埚外没有与氟盐接触过的光纤在扫描电镜下进行对比观察，结果如图 5所示。

图 5

图 5 对照样品(a)、熔盐蒸汽中的样品(b)、浸在熔盐中竖直部分(c)和浸在熔盐中弯曲部分(d)的SEM图像 Figure 5 SEM images of compared sample (a), sample in molten salt steam (b), vertical part of sample immersed in molten salt (c), and bend part of sample in the molten salt (d)

扫描电镜下观察可以看出，与没有接触过熔盐的样品相比，经去离子水清洗，坩埚中的样品表面仍然可以清晰地看到有熔盐颗粒附着。而且从图 5(b)-(d)可以明显看出，熔盐层的厚度逐渐加厚，图 5(d)表面的裂纹是由于这部分样品盐层较厚，样品从650 ℃的坩埚中拿出时，急速下降的温度使表面附着的一层氟盐脆裂有了裂纹。为了证明推断裂纹部分是氟盐，我们又选取了有部分脱落且可以在电镜下容易区分出来的区域进行了元素分析，如图 6所示。

图 6

图 6 样品表面有脱落的部分(a)、F元素(b)、Ca元素(c)、O元素(d)和Au元素(e)的SEM图像 Figure 6 SEM images of dropped sample surface (a), fluoro element (b), calcium element (c), oxygen element (d) and gold element (e) image

由图 6可见，进行元素分析时，氟、钙、氧等元素由于只存在于表面一层物质中，因此获得的元素图像与所观察图像一致，而金元素大量且均匀存在于光纤表面，所以观察的金元素的图像只是比较均匀的一层，也即脱落部分是位于光纤表面附着的氟盐。可推断表面一层为氟盐，裂纹在氟盐层，光纤经过在熔盐中48 h的高温后，没有明显腐蚀。

为了得到高温光纤在熔盐中耐腐蚀的情况，采用了镀金光纤分别在600 ℃及650 ℃高温熔盐中进行24 h和48 h耐温耐腐蚀实验。分别将浸没于熔盐中的样品、位于高温熔盐蒸汽中的样品与没有经过实验的样品进行对比分析，得出如下结论：镀金光纤在600 ℃的FLiNaK熔盐中浸泡24 h后纤芯内部完整未见腐蚀迹象，在650 ℃的熔盐中浸泡48 h后，光纤表面金层完整，没有发现有明显腐蚀迹象，可以耐受氟盐48 h不被腐蚀。可以推断出，镀金光纤在高温熔盐环境中短时间内可以耐受熔盐的腐蚀，因此可以考虑将其应用在熔盐堆上进行短时的温度测量。