Диссертация (1090210), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Недостатком этогометода является то, что для исследований необходимы дополнительные технологические операции, компенсирующие растворимость материалов для кювет.Это снижает возможности метода при контроле нефтепродуктов в залповыхсбросах, а также для автоматического контроля наличия нефтепродуктов вовремя технологических процессов очистки.Эти недостатки преодолеваются при использовании оптоэлектронных приборов и устройств, работающих в УФ спектральном диапазоне, так как применяемые в них кварцевые трубки и кюветы, совмещают в себе такие свойства,как прозрачность в широком диапазоне спектра, так и стойкость к водеи другим растворителям [128]. В этом диапазоне существует широкий наборфотоприемных полупроводниковых датчиков на основе современных широкозонных материалов, таких как SiC, GaP GaN, AlGaN, а также некоторые твердые растворы соединений III-й группы [ 112,128,129]. Недостатком датчиков наэтих материалах, являются технологические проблемы воспроизводимости ихпараметров и стабильности свойств, что приводит к большим погрешностямизмерений.Этих недостатков лишены природные алмазы 2а типа – уникальный широкозонный полупроводник, добываемый в России в промышленных объемах.Основными преимуществами алмаза для создания УФ фотоприёмных датчиков[33,130] является – стабильность (временная устойчивость) материала, механи-ческая прочность, радиационная стойкость, что дает возможность работы датчиков в сложных экологических условиях.
Прогресс в разработке фотоприёмных датчиков на основе алмазных материалов [130,131], позволяет использовать перспективный УФ-С диапазон спектра (от 190 до 225 нм). Использованиеоптоэлектронных устройств контроля наличия примесей и загрязнений, рабо-182тающих в УФ-С диапазоне спектра, для определения концентрации примесейнефтепродуктов в сточных водах является одним из перспективных решенийпроблемы контроля сточных вод.Разработанное оптоэлектронное устройство экспресс-анализа сточных вод[79,132 ] на основе алмазного датчика состоит из следующих составных частей:• ультрафиолетовый (УФ) излучатель немонохроматического света, со-стоящий из осветителя с дейтериевой лампой (Д2–лампа), источника питанияД2–лампы и зеркального конденсора;• проточная кювета с кварцевыми оптическими окнами в местах крепле-ния отражающей дифракционной решетки и алмазных датчиков УФ-излучения;• отражающая дифракционная решетка (Д.Р.);• два алмазных датчика УФ-излучения ФПЯ-1 (рисунок 2.2) с источника-ми напряжения смещения и предусилителями сигналов (И.П.1, И.П.2);• блок ввода–вывода и анализа сигналов с алмазных датчиков.Параллельный пучок ультрафиолетового света от дейтериевой лампыформируется в зеркальном конденсоре и под углом 12 градусов через кварцевоеокно попадает в проточную кювету.
Пучок света проходит через исследуемуюсреду и попадает на отражающую дифракционную решетку, которая находитсяза кварцевым окном на противоположном конце кюветы. Дифракционная решетка отражает и разлагает падающий свет в спектр с образованием двух лучейпервого и минус первого порядка дифракции. Эти два луча света проходят разные оптические пути через исследуемую среду и попадают на алмазные датчики 1 и 2, которые установлены за кварцевым окном. С помощью источниковпитания И.П.1 и И.П.2 на оба алмазных датчика выставляется одинаковое напряжение смещения.
Далее электрические сигналы с каждого алмазного датчика передаются на устройство ввода-вывода для последующего их анализа.В оптоэлектронном устройстве используется разработанный в ПТЦ УралАлмазИнвест [33,133] фотодетектор ФПЯ-1 (рисунок 2.2) который являетсясамостоятельным прибором (п.1.6), который имеет алмазный фоточувствительный элемент с электродами, установленный внутри герметичного металлокера-183мического корпуса таким образом, чтобы рабочая область фоточувствительногоэлемента находилась напротив входного окна. Корпус унифицирован, что позволяет устанавливать его на платах в стандартные гнезда для микросхем.Под действием жёсткого ультрафиолета в растворах могут происходитьреакции ассоциации, диссоциации, протонирования, комплексообразования,которые могут серьёзно повлиять на форму кривой поглощения и сделать невозможным прямые измерения концентрации нефтепродуктов оптическими методами.
Поэтому исследования по выявлению общих закономерностейи особенностей пропускания ультрафиолетового излучения водными растворами нефтепродуктов является актуальными.Возможность фотометрических измерений в спектральном диапазоне 190–230 нм позволило создать на основе алмазного детектора экспериментальнуюспектрофотометрическую установку (рисунок 4.24), которая может обеспечитьэкспресс диагностику нефтепродуктов в сточных водах.Рис.4.24 – Блок-схема ОЭУ экспресс-анализа сточных вод с примесями углеводородов и нефтепродуктовУстановка для экспресс-диагностики нефтепродуктов в сточных водах использует фотометрический метод, основанный на законе Бугера-Ламберта-Берадля монохроматического излучения. [73].I = I 0 ⋅ 10 −ε λ ⋅c⋅l(4.17)184где I0 – интенсивность падающего излучения, I – интенсивность прошедшегочерез вещество излучения, с – концентрация поглощающего вещества (моль/л),l – толщина поглощающего слоя (см), ελ – молярный коэффициент поглощения(моль–1 м2).В логарифмической форме закон будет иметь следующий вид:lgI0= ελ ⋅ l ⋅ cI(4.18)Величину lg I0/I называют оптической плотностью и обозначают А.
Опти-ческая плотность характеризует поглощательную способность вещества.(4.19)A= ελ·l·cПри соблюдении основного закона поглощения света, оптическая плот-ность раствора прямо пропорциональна молярному коэффициенту поглощения,концентрации вещества и толщине поглощающего слоя, т.е. А = ελ при l = 1 м ис = 1 моль/м3. Молярный коэффициент поглощения характеризует внутренниесвойства вещества и зависит от температуры, длины волны электромагнитногоизлучения и природы вещества и не зависит от толщины слоя, концентрациивещества и интенсивности падающего излучения.Отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера может быть вызвано физическими и химическими причинами. К физическим причинам относятся: высокаяконцентрация раствора (> 1 моль/м3), недостаточная монохроматизация света ирассеивание света.
К химическим причинам относятся: процессы ассоциации,диссоциации, протонирования, комплексообразования, которые могут протекать в растворе.Для того, чтобы определить возможность обнаружения примесей нефтепродуктов в сточных водах в УФ-С диапазоне спектра алмазными датчиками,были проведены эксперименты по выявлению общих закономерностейи особенностей пропускания ультрафиолетового излучения водными растворами нефтепродуктов.
Для измерения коэффициентов ослабления в водных растворах нефтепродуктов в УФ диапазоне был использован спектрофотометр СФ56. Водные эмульсии бензина готовили путём перемешивания заранее отме-ренных частей дистиллированной воды и бензина НЕФРАС-С2-80/120185(ТУ 38.401-67-108-92)92) с добавлением ПАВ. Зависимость коэффициентов про-пускания водных эмульсий бензина с водой было исследовано в диапазоне длинволн от 200 до 230 нм. Оптическая длина пути – 0,1 мм. Объект сравнения –кювета с водным раствором ПАВ.Результаты исследований и их обсуждение.обсужРезультаты экспериментов представлены на рисунке 4.25.В результате экспериментов было установлено, что жёсткое УФ излучениев диапазоне 200 – 230 нм не вызывает пиков резонансных поглощенийв эмульсии нефтепродуктов, то есть кривая поглощения остаётся гладкойи пригодной для фотометрических измерений.
Также не было замечено флюоресценции нефтепродуктов в этом диапазоне спектра, что тоже могло повлиятьна точность измерений.Рис.4.25 – Зависимость коэффициентов пропускания водных эмульсий бензина с водой. 1 – бензин 100%; 2 – бензин 90%, вода – 10%; 3 – бензин 80%, вода – 20%; 4 – бензин 70%, вода – 30%; 5 – бензин 60%, вода – 40%; 6 – бензин50%, вода – 50%; 7 – бензин 40%, вода – 60%.186Из рисунка 4.25 видно, что оптическая плотность растворов нефтепродуктов с уменьшением длинны волны излучения увеличивается, что приводитк увеличению точности фотометрического метода.
Но, это также может привести к нарушению закона Бугера-Ламберта-Бэра при больших оптических путяхв проточных кюветах. Поэтому компромисс между точностью измеренийи длиной оптического пути при измерениях в районе 220 нм, представляетсяразумным.Выводы к Главе 41. Разработанное и изготовленное на основе одноэлементного алмазногодатчика фотоприёмное устройство имеет порог чувствительности118,7·10-Вт/Гц1/2 и позволяет обнаружить трассер ракеты на расстоянии более 90 мет-ров.
Повысить пороговую чувствительность прибора, а, следовательно, и расстояние обнаружения трассера, возможно тремя способами. Увеличить падающий на АМФД поток излучения, изменяя входной зрачок системы, увеличить чувствительность АМФД, либо скомбинировать эти два способа.2. Разработанное и изготовленное на основе алмазной матрицы устройствонаблюдения имело пороговую чувствительность 3,6·10-15 Вт/см2.3. Построенная математическая модель прибора наблюдения и фотопри-ёмного устройства на основе алмаза формата 128х128 УФ диапазона спектраявляется адекватной и позволяет исследовать их характеристики.4. Разработанный и изготовленный впервые в мире на основе алмазной че-тырёхэлементной матрицы высокоскоростной четырёхканальный детекторультрафиолетового излучения имеет постоянную времени не хуже 1,8 нс и чувствительность достаточную для локации объектов на расстоянии 25 000 км вбезвоздушном пространстве, что позволяет использовать его как приёмник всоставе лидара УФ – диапазона спектра.5.
Разработанная и изготовленная фотометрическая установка с алмазнымифотоприёмниками, работающая в УФ-С диапазоне спектра, позволяет с высо-187кой точностью (до 0,001 мг/дм3) обнаруживать примеси нефтепродуктовв сточных водах.188ЗАКЛЮЧЕНИЕОсновные результаты диссертационной работы можно сформулироватьследующим образом.1.
Установлены закономерности влияния некоторых электрофизических ифотоэлектрических свойств алмазных материалов, на различные параметры изготовленных из них приборов, что позволяет целенаправленно подбирать природное алмазное сырьё или формулировать обоснованные технические требования к синтезируемым искусственным алмазам, которые будут использованыдля изготовления фоточувствительных приборов.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
