Senzory ionizujícího záření Chemické senzory Senzory vlhkosti. Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.

Transkript

1 Senzory ionizujícího záření Chemické senzory Senzory vlhkosti Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. P. Ripka, 2010

2 Senzory ionizujícího záření

3 Senzory ionizujícího záření α = He 2+ + β = e, e aktivita [Bq] (Becquerel) A = A e 0 λt λ...rozpadová konstanta dávka [Gy] (Gray) = [J/kg] A= 0.5 λt T 1/ 2 D = dn dt λ 1 / = e T 1/ 2 γ, X... elmag n = ln 0,5 = ln 0,5 / λ 2 dε dm Počet přeměn 1Ci = 3, Bq Curie ~ 1 g radia ε... střední sdělená energie dávkový příkon D = dd dt

4 Dozimetrické jednotky dávkový ekvivalent příkon dávkového ekvivalentu H = D Q N H = dh dt jak. činitel Q=1 γ,β Q=10 α Q=20 n modifikační faktor. (geom) Expozice [C/kg] X = dq dm vzniký náboj jednoho znaménka γ,x,

5 Senzory ionizujícího záření fyzikální chemické filmy spektrometrické nespektrometrické kontinuální integrální selektivita: α β γ, X, n pozadí bublinkové, mlžné komory -sledování dráhy absorbce α velmi rychlé β exponenciální - polotloušťka ~ dm ~ energii! β (e - ). - rozptyl - ionizace - brzdné záření

6 Plynové detektory Základem je systém dvou navzájem izolovaných elektrod umístěných ve válcovém plášti. Vnitřní prostor je naplněn plynem nebo vzduchem Zdroj stejnoměrného napětí => ionizace plynu mezi elektrodami (nevodivý plyn se stává vodivým) Vzniklý elektrický proud = náboj odevzdaný ionty / sekundu

7 Plynové detektory Ionizační komora

8 Plynové detektory Charakteristika plynového detektoru oblast nasyc. proudu omezená proporcionalita Plateau G - M koronové detektory I zpětná rekombinace III, IV plynové zesílení ionizační komory proporcionální detektory

9 Ionizační komory Žádná rekombinace iontů mezi elektrodami Vyhodnocení ionizačního záření: - integrálně (proudově): měří se střední hodnota ionizovaných nábojů - impulsně: vyhodnocení skut. počtu impulzů (spektrometrické vyhodnocení záření) Proudový princip: RCV >> t s ; RCV >> 1 n Impulsní princip: RCV t s ; RCV << 1 n C v výsledná kapacita komory a externího kondenzátoru R externí odpor n stř. četnost interakcí T s doba sběru nosičů vytvořených ionizací

10 Ionizační komory 235 U, 239 Pu Kompenzační ionizační komora III. A IV. Pásmo plynové zesílení (jev, při němž se ionizované částice pohybují takovou rychlostí, že na své dráze ionizují další částice):

11 Proporcionální detektory Oblast III - lavinovitá nárazová ionizace => proudový impulz Amplituda impulzů proporcionálního detektoru

12 G M detektory (Geiger Müller) Lavinovitá ionizace nezávisí na druhu částic ani na energii Zhášení výboje - elektronicky (Rs) - prostorovým nábojem kolem anody Těžké molekuly org. látek nebo halogenů => konečná životnost mrtvá doba ~ 10-4 s

13 Scintilační detektory Princip: transformace ionizující záření => fotony Scintilátor je spojen s fotodnásobičem, který převede emitované fotony na elektrický impulzní signál luminiscence Scintilační jednotka = scintilátor + fotonásobič Energie fotonů => energie elektronů na fotokatodě

14 Scintilační detektory Na I (+Tl) Cs I (+Eu) Luminiscence v anorganickém scintilátoru detekce + spektroskopie γ + χ Organické scintilátory detekce β (=e - ) energie fotonu menší než šířka. zak. pásu = látka transparentní

15 Scintilační detektory Fotonásobič 10 6 (10 8 ).. Násobí elektrony SC scintilátor F fotokatoda D dynody nejúčinnější nejdražší nízkointenzivní zdroje

16 Polovodičové detektory Dopad γ fotoefekt (absorpce fotonu, e - => ) Comptonův jev (každý ráz fotonu) vznik párů (e - + e + ) malá šíře zakázaného pásu vynikající spektrometrické vlastnosti výhody: malá š. zak. pásu -> jen 3 ev pro vznik páru (1/10 plyn det.) problém: tepelný proud -> PN přechod v závěr. směru

17 Struktura PIN detektoru Polovodičové detektory intrisická vrstva Ge (Li) 77k Si (Li) k

18 Polovodičové detektory Principiální zapojení a náhradní schéma zapojení PIN detektoru

19 Chemické senzory

20 Chemické senzory Adsorpce Absorbce Senzor Monitor Analyzátor Látková koncentrace Hmotnostní koncentrace Objemová koncentrace ni ci = V mi ci = V Vi δ i = V [mol] (ev.%) (ev.%) (ev.%) ppm = Aktivita iontů a i =f i c i ;součinitel aktivity f i <=1 Koncentrace vodíkových iontů ph=-log(f c H+ )=-log a H+ λ γ ρ κ (tepelná vodivost) (elektrická vodivost) (hustota) (susceptibilita)

21 3.Optický a optoelektronický princip - absorbce elmag.vlnění působení mezi elmag.vlněním a molekulami největší selektivita (spektrometrie) Chemické senzory - principy 1.Fyzikální princip - kinetická interakce závislost fyz.parametrů na koncentraci (λ,γ,χ,c,ν,ρ) málo selektivní větš. jen binární směsi, závislé na teplotě rychlé 2.Fyzikálně chemický princip - chemické interakce chemické interakce látky a povrchu senzoru vyšší selektivita dopr. zpoždění

22 1.Fyzikální princip Rezonanční piezoelektrické senzory plynů Adsorpce plynu nárůst hmotnosti senzoru f SENZOR S PAV f 2 m S Např. 100 Hz/ppm NO 2

23 Tepelně vodivostní senzory Mikroelektronický Si teplotně-vodivostní senzor

24 Paramagnetické senzory kyslíku princip: magnetomechanický termomagnetický Kyslík je vtahován do komůrky, tam se ohřeje nad T c a proudí zpět Proudění se detekuje (např. víry) Diamagnetický vzorek (např. ampule s dusíkem) je vysouván z paramagn. prostředí

25

26 Senzory konduktivity γ = cλ λ...molární c konduktivita...koncentrace elektrolytu Elektrodové systémy inertní vůči měřenému roztoku Teplotní závislost - nutno korigovat γ = γ 1+ [ α( ϑ )] r ϑ r

27 Senzory konduktivity Slabé roztoky Silné roztoky Konduktivita roztoků v závislosti na koncentraci a teplotě

28 γ = l G dl = GK = S 0 Senzory konduktivity 1 K R K elektrodová konstanta

29 Senzory konduktivity Nutno zabránit elektrodovým jevům Rx - odpor elektrolytu, Cg - geometrická kapacita so Cp - polarizační kapacita, R P polarizační odpor, C K - kapacita kabelu Dvojvrstva na rozhraní elektroda-roztok malá tloušťka až 100 μf C P a R P jsou frekvenčně závislé C P klesá s frekvencí Nutno volit správnou f a kompenzovat teplotu

30 Senzory konduktivity Konduktometrické sondy - zapojení dvouelektrodové čtyřelektrodové odstraňuje vliv polarizačních jevů bezkontaktní indukční senzor bezkontaktní vf senzory

31 Bezkontaktní senzor konduktivity Napěťový transformáto r I 3 = Proudový transformáto r U Rz 0 n 1 G n 3 G

32 BENCHTOP CONDUCTIVITY METERS Omega

33 4-elektrodový senzor pro rychlé měření s vysokou přesností 1. - Voltage Electrode 2. - Current Electrode 3. - Current Electrode 4. - Voltage Electrode 5. - Glass Support PME

34 Iontové spektrometry Hmotnostní spektrometry zakřivení měření dráhy iontu v magnetickém poli. Ionisace radioaktivním zdrojem nebo UV lampou. Složité a rozměrné měření pohyblivosti iontů (IMS Ion Mobility Spectrometry) V el. Poli (1 až 10 kv) ionty impulsně urychleny. Měří se zpoždění proudového impulzu a jeho tvar, který je závislý na náboji, hmotnosti a tvaru iontů. Detekce org. látek vč. bojových plynů a stop výbušnin

35 2.Fyzikálně chemický princip Senzory s Polovodičové senzory s pevnou fází povrchovou detekcí objemovou detekcí Řez senzorem a vyhodnocení

36 CHEMFET CHEMFET: analýza plynů Hradlo řízeno elektrickou dvouvrstvou vyvolanou adsobovaným plynem

37 Termokatalytické senzory Pellistor Uspořádání (a) a kompletní můstkové uspořádání(b) Měření koncentrace hořlavých a výbušných plynů

38 Termokatalytické senzory je možno použít pro odstranění dvojznačnosti

39 Elektrochemické senzory a) Potenciometrie b) Amperometrie Potenciometrie Nernstova rovnice : RT 2,303RT ϕ = ϕ0 ± lnαi = ϕ0 ± logαi nf nf ϕ...potenciál měřicí elektrody ϕ...standardní potenciál a 0 n... valence F... Faradayova konstanta R... plynová konstanta i...aktivita iontů > 0 a i = f n i i aktivní koncentrace: a i = f i n i aktivitní koeficient koncentrace f i =1 pro slabé roztoky f i <1 pro silné roztoky

40 Elektrochemické senzory Potenciometrické měření ph měřicí elektroda: (skleněná) 0,1 mm, propustná pro ionty referenční elektroda: kalomelová; její potenciál je konstantní; nekovová zátka propustná pro ionty; uvnitř roztoku elektroda Měřicí elektroda Referenční elektroda Drátkový kontakt Drátkový kontakt elektrolyt Porezní sklo Porézní keramika cca 50mV/pH

41 Elektrochemické senzory Potenciometrie ISFET - Iontově selektivní elektrody iontů aktivita rušivých Typ. Použití: potravinářský průmysl

42 Elektrochemické senzory Potenciometrie ISFET (Ion Selective Field Effect Transistor) (x CHEMFET adsorpce plynů) U G = U + ϕ + ϕ R R 0 + RT ln a nf i potenciál srovnávací elektrody Redoxní elektrody oxidačně redukční potenciál elektroda z inertního kovu, event. selektivní membrána O + ne x - + mh + Red ϕ = ϕ 0 + RT ln nf a a Ox Red + m ln a n H +

43 Elektrochemické senzory Potenciometrie Potenciometrie s tuhým elektrolytem měřený plyn srovnávací plyn 1 topení 5 srovnávací komora 2 porézní Pt elektrody 6 anoda 3 tuhý elektrolyt Y 2 O 3 /ZrO7 katoda 2 4 měřicí komora 8 detektor teploty C (>350 C) el.žhavení

44 Elektrochemické senzory Potenciometrie Potenciometrie s tuhým elektrolytem O 2 2 { } + 2e { Pt} O { ZrO } plyn 2 způsobují vodivost U = RT ln 4F p p m s parciální tlak O 2 v měř.plynu Lambda-senzor kyslíku EGO (exhaust gas oxygen) Jiný princip: vodivost TiO 2 (polovodič) ~ CO 2 není nutný přívod atmosféry O 2

45 Elektrochemické senzory Potenciometrie Potenciometrie s tuhým elektrolytem málo kyslíku nedokonalé spalování nízký parciální tlak O 2 ve výfukových plynech RT podobné Nerstově rovnici ϕ = ϕ 0 ± lnα i nf -1-1 R... univerzální plynová konstanta 8,3 JK mol n... valence (oxidační číslo) iontů F... Faradayova konstanta a...aktivita iontů i 9, C.mol klasické λsenzory nejsou použitelné pro chudou směs! kyslíková pumpa -1

46 Elektrochemické senzory Potenciometrie Potenciometrie s tuhým elektrolytem Lambda senzor λ = V V t

47 Elektrochemické senzory Amperometrie Amperometrie - měření proudu mezi elektrodami Plateau ustálení oblast depolarizace Polarografie potenciostat

48 Elektrochemické senzory Amperometrie Clark senzor selektivní membrána

49 Elektrochemické senzory Amperometrie Proudový senzor kyslíku obdoba Lambda-senzoru

50 3.Optický a optoelektronický princip Spektrální fotometrie Absorpce záření E Přechod systému ze základního stavu do stavu excitovaného c h = EE + EK + E λ E > E > E E K R Závislost na vln.délce R h...planckova konst. E...elektronové energetické přechody K...kmitání molekul R...rotace molekul Ultrafialové spektrum (200nm 350 nm) Viditelné spektrum ( nm) Energie elektronového spektra E E Analýzy organických kapalin, zjišťování dusičnanů ve vodě Infračervené spektrum (800 nm- 2,5 μm) intermolekulární kmitání mezi atomy

51 Spektrální fotometrie Lambert-Beerův zákon Φ = Φ 0 e εcd kde Φ je tok záření vstupující do měřicí (resp. srovnávací) kyvety, Φ 0 tok vystupující z měřicí (resp. srovnávací) kyvety, ε molární absorpční koeficient [cm 2 /mol], c látková koncentrace [mol/cm 3 ], d délka kyvety [cm]. zdroje záření: výbojky, žárovky a laserové diody. Modulace Filtrace

52 zdroj Zdroje záření Modulace Filtrace Detektory Metody spektrální fotometrie Uspořádání měřicího řetězce pro spektrální fotometrii měřicí kyveta optický filtr detektor Synchronní detektor dolnofrekvenční filtr

53 Interferenční filtry Fabry Pérotovo uspořádání (rezonátor) Metody spektrální fotometrie Detektor: kondenzátorový mikrofon Jiný detektor: Fotodioda

54 Infračervené (IR) analyzátory plynu Bezdisperzní.. monochromatizace použitím filtru Disperzní využívají rozkladu světla např. hranolem nebo mřížkou absorbční spektra

55 Infračervené (IR) analyzátory plynu Klasický bezdisperzní IR analyzátor Disperzní analyzátor 1 IR zdroj 2 clonka 3 srovnávací kyveta 4 měřicí kyveta 5 srovnávací plyn 6 kondenzátor.mikrofon

56 Infračervené (IR) analyzátory plynu Úzkopásmový IR analyzátor fy Dräger 1 pulzní IR zdroj 2,5 transparentní okno 3 měřicí kyveta 4 zrcadlo 6 polopropustný dělič záření 7,9 interferenční filtry 8,10 pyroelektrické detektory moderní verze bez disperzního analyzátoru

57 IR senzor CO 2 Nejrozšířenější senzor CO 2 pro HVAC

58 Senzory pro chromatografickou analýzu Detektory na principu postupného vytváření rovnovážných stavů dělených látek mezi pohyblivou a nepohyblivou fází. -rozpouštění -adsorpce -výměna iontů Nepohyblivá fáze = kolona - látka se schopností zadržovat jednotlivé složky dávky - Základní materiál: nerezový kov nebo sklo - 0,5 až několik metrů Pohyblivá fáze = plyn nebo kapalina, která z kolony smývá jedn. složky => transport k detektoru => stanovení koncentrace složky

59 Senzory pro chromatografickou analýzu Rozdělení: 1. Pro plynovou chromatografii Tepelně-vodivostní senzory (TCD) Plamenově ionizační senzory(fid) Fotoionozační senzory (PID) Radioaktivní senzory(ecd) 2. Pro kapalnou chromatografii UV fotometrické senzory Fluorescenční detektory Detektory na principu měření indexu lomu Detektory na principu optické mřížky 3. Pro iontovou chromatografii Amperometrické senzory Senzory konduktivity

60 Senzory pro chromatografickou analýzu Integrovaný plynový chromatograf Senzor teplotní vodivosti Stacionární fáze: olydimethylsiloxane

61 Výstup z plynového chromatografu n-heptan n-hexan n-octan n-nonan

62 Shree Narayanan, Bassam Alfeeli, and Masoud Agah: A micro gas chromatography chip with an embedded non-cascaded thermal conductivity detector Proc. Eurosensors XXIV, September 5-8, 2010, Linz, Austria

63 Biosenzory Biochemické reakce receptoru (enzymy, bakterie ) Vyhodnocení: potenciometrické a amperometrické elektrody, optoel. fluorescenční senzory, ENFET Fluorescenční biosenzor:

64 Senzory vlhkosti plynu Veličiny: Směšovací poměr r = m v /m a Měrná vlhkost q = m v /(m v +m a ) abs. vlhkost (hustota vodní páry) d v = m v /V = Φ abs. vlhkost sytého plynu... Φ Relativní vlhkost φ = Φ / Φ jiná definice (z molárních zlomků) U w x x v = *100% = vw nv nv + na nvw n + n vw a Parciální tlak vodní páry e, p Tlak nasycené vodní páry e w,e i,, p Teplota rosného bodu T d, (r) p,t =(r w ) p,td

65 Stavová rovnice pv = nrtz (T,p) v = m M v v RTZ v (T,p) pro id. plyn: p' = ( e) = m M v v RT V = RT d M v v = RT Φ' M v M... molární hm. vodní páry (0, kg.mol R T[ K]... termodynamická teplota Z... kompresibilní faktor d v v v... molární plynová = Φ'... absolutní vlhkost konst.(8, J.mol -1-1 ). K 1 ) p' p' = p p ' + p s = nv n + n p... parciální tlak vodní páry p s... parciální tlak suchého vzduchu p... atmosferický tlak p = p +p s v a ϕ = Φ' Φ' ' = U w = x x vw nv nv + na nvw n + n v = = vw a p' p' '

66

67

68

69 Sorpční senzory vlhkosti Změna fyz-chem. vlastností materiálů rovnovážný stav adsorpce a desorpce molekul vody z vodní páry Odporové (ellytické) senzory - závislost elektrolytické vodivosti na adsorbované vodě Mikroelektronické kapacitní resp. odporové senzory - závislost impedance sorpčního materiálu na relativní nebo absolutní vlhkosti okolního plynu Polovodičový MOS senzor - adsorpce v citlivé vrstvě PEO (polyetylenoxid), v níž jsou uloženy dvě hřebenově uspořádané elektrody

70 Sorpční senzory vlhkosti Odporový senzor vlhkosti Odpor stěny pórů Svodový odpor Impedance od dna pórů k Al elektrodě Zákl. kapacita

71 Sorpční senzory vlhkosti Odporový senzor vlhkosti BULK SENZOR (odporový senzor vyrobený z polymeru, k adsorpci dochází v celém objemu - - tzv. bulk effect.

72 Vývoj senzoru vlhkosti pro čelní sklo sensirion

73 Sorpční senzory vlhkosti Kapacitní senzor vlhkosti Senzor je tvořen kondenzátorem, jehož dielektrikum je z hydroskopického materiálu. Kapacita senzoru je funkcí relativní vlhkosti.

74 Kapacitní senzor vlhkosti Sorpční senzory vlhkosti

75 Psychrometr mokrý + suchý senzor parciální tlak páry relativní vlhkost e( ϑ) = ew( ϑm ) A.p( ϑ ϑm ) e( ϑ)... parc. tlak páry při teplotěϑ e... tlak syté vodní páry při teplotěϑ w A... psychrometrický součinitel ( ϑ ϑ 6,56.10 m -4 K 1 pro v > 2 m/s )... psychrometrický rozdíl teplot m

76 Psychrometr Psychrometrický senzor

77 Zrcadlové senzory teploty rosného bodu Zrcadlo (Au) je chlazeno Peltierovým článkem, a to tak, aby byla udržována konstantní teplota orosení. Znečištování zrcadla

78 6" Circular Chart Temperature, Humidity, Dewpoint Recorder Relative humidity range: 0-100% Relative humidity accuracy: ±3% Dewpoint range: 0 to 50 C Omega

79 výhody: jen jeden paprsek jeden zdroj Vlhkoměr TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) jeden detektor -> bez kalibrace rozlišení ppb Beerův zákon: I 0 /I= k l N I, (I 0 ).. intenzita na (mimo) frekvenci absorbční čáry vody, k.. konstanta, l.. dráha paprsku, N..počet molekul vody