Faseraufbau

In Abbildung 3.2 ist zur Verdeutlichung der Querschnitt einer szintillierenden Faser mit einfacher Ummantelung gezeigt.

Abbildung 3.2: Querschnitt einer szintillierenden Faser, aus [Zie98]. Die Faser besteht aus einem Kern aus Polystyrol (PS) und ist ummantelt mit einer Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Durch Totalreflexion an der Grenzschicht Kern-Ummantelung wird das Licht in der Faser weitergeleitet.

Der Kern ( Core) besteht aus den auf Polystyrol (PS) basierenden Fluoreszenzkomponenten, die einen Brechungsindex von $n_{Core}$ = 1,59 besitzen. Der Faserkern ist ummantelt mit einer Schicht Polymethylmethacrylat (PMMA). Dieses sogenannte Cladding besitzt mit $n_{Cladding}$ = 1,49 einen geringeren Brechungsindex als der Kern, es gilt also: $n_{Cladding}~<~n_{Core}$.

Nach

$$\sin\alpha = \frac{n_2}{n_1} = \frac{n_{Cladding}}{n_{Core}} = \sin(90-\theta) = \cos\theta$$ (3.1)

wird Licht, das mit einem kleineren Winkel als dem Grenzwinkel $\alpha$ für Totalreflexion auf den Core-Cladding-Übergang trifft, in die Faser zurückreflektiert.

Der Bruchteil t des Lichtes, der bei isotroper Emission in der Faser bleibt, beträgt nach [Leu95]:

$$t_{single-cladding} = 1 - \frac{n_2}{n_1} = 1 - \frac{n_{Cladding}}{n_{Core}}$$ (3.2)

Mit den oben genannten Werten für $n_{Core}$ und $n_{Cladding}$ aus [Kur97], [Bic97] ergibt sich, daß $6,3~\%$ des entstandenen Lichtes in der Faser verbleibt.
Dieser Anteil kann durch ein zweites Cladding mit einem wieder kleineren Brechungsindex noch erhöht werden. Dieses zweite Cladding besteht aus einer Schicht fluoriertem PMMA, das einen Brechungsindex von n = 1,42 besitzt. Damit erhöht sich der Bruchteil des in der Faser verbleibenden Lichtes auf

$$t_{double-cladding} = \left(1 - \frac{n_{Cladding 1}}{n_{Core}}\r... ...adding 1}}{n_{Core}}\cdot\left(1 - \frac{n_{Cladding 2}}{n_{Cladding 1}}\right)$$ (3.3)

Nach dieser Gleichung erhöht sich durch diese zweite Grenzschicht der Anteil des in der Faser verbleibenden Lichtes auf $10,7~\%$. Die obige Rechnung gilt jedoch nur für eine ``ideale'' Faser ohne Fehlstellen im Material, und so sind die Werte in der Realität etwas kleiner. Die Firma Kuraray gibt für ihre Fasern folgende Trapping-Effizienzen an [Kur97]: 3,25 % für single cladded und 5,35 % für double cladded Fasern. Die Steigerung der Lichtausbeute durch die zweite Ummanteltung um den Faktor 1,7 wird also tatsächlich erreicht und wurde in Messungen auch bestätigt [Bau94].

Zudem bietet das zweite Cladding auch einen mechanischen Schutz der Faser sowie des ersten Claddings gegenüber Beschädigungen oder Kratzern, die zu unwiederbringlichen Lichtverlusten führen.

Alle szintillierenden sowie klaren Fasern, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden, besitzen ein Double-Cladding, dessen Dicke rund 6 % des Faserdurchmessers ausmacht.