Разработка оптического газоанализатора на основе селективного преобразователя лучистых потоков малой энергии

УДК 537. 41. 78

РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА НА ОСНОВЕ СЕЛЕКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЛУЧИСТЫХ ПОТОКОВ МАЛОЙ ЭНЕРГИИ

А.Ю. Кузьмин, Ю.А. Брусенцов, Е.В. Поляков,

В.И. Ильин, В.С. Маликов

Кафедра «Материалы и технология», ГОУ ВПО «ТГТУ» Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: инфракрасный спектр; оптический газоанализатор; спектральное распределение; узкозонный полупроводник.

Аннотация: Предложена конструкция оптического газоанализатора на основе селективного первичного измерительного преобразователя для регистрации спектров поглощения газов.

За последние десятилетия оптические газоанализаторы (ОГ) получают все большее распространение и постепенно вытесняют традиционные термокаталитические. Связано это с тем, что в основу метода измерения ОГ положен принцип так называемой бездисперсионной инфракрасной (ИК) спектроскопии: многие газы имеют характерные полосы поглощения в ИК области спектра, обусловленные изменением колебательно-вращательного состояния молекул газа под действием ИК-излучения. Сквозь контролируемый объем воздуха (это может быть как открытый участок атмосферы, так и заполненная газовой пробой камера внутри газоанализатора) пропускают ИК-излучение, спектральный интервал которого соответствует спектральному положению полосы поглощения определяемого газа. По величине поглощения излучения, прошедшего сквозь газовую пробу, можно измерить концентрацию газа.

Основная причина перехода на ОГ - существенно более стабильная их работа по сравнению с термокаталитическими газоанализаторами, в которых необходимо регулярное обслуживание, что влечет за собой значительные трудозатраты и фактически ликвидирует их преимущество в сравнительно невысокой цене.

Нестабильность работы термокаталитических газоанализаторов обусловлена принципом их действия. Имеется только один канал - измерительный, в котором малейшее изменение параметров измерительного элемента - нити накала - приводит к значительному росту погрешности измерений.

Преимущество оптических газоанализаторов по сравнению с иными типами (электрохимическими, термокаталитическими, полупроводниковыми) заключается, прежде всего, в отсутствии контакта между загазованной атмосферой и измерительными элементами: сквозь газовую пробу проходит лишь луч света, а излучатель и фотоприемник защищены прозрачными окнами из химически стойкого стекла. Поэтому для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества и соединения (хлор, сера, фосфор, фтор, аммиак, окислы азота, тетраэтилсвинец), выводящие из строя газоанализаторы, в основе действия которых лежат химические реакции. Не страшны им и концентрационные перегрузки

вплоть до 100 %-й концентрации определяемого газа, причем время восстановления после перегрузки определяется только временем обновления содержимого газовой камеры.

В основе работы ОГ лежит использование селективных преобразователей лучистых потоков малой энергии. Избирательная (селективная) чувствительность системы преобразователей позволяет строить спектральное распределение потока излучения. Присутствие любой газообразной примеси в рабочем объеме неизбежно отразится на распределении спектра излучения.

На кафедре «Материалы и технология» Тамбовского государственного технического университета ведутся исследования по разработке селективного неох-лаждаемого преобразователя инфракрасного излучения на основе тройного сплава Cd1-хSnхS. Преимуществом преобразователя является расширение диапазона принимаемого излучения при помощи селективных первичных измерительных преобразователей (ПИП), не нуждающихся в охлаждении, созданных на основе нового материала.

В работе изучены структура и свойства соединения Cd1-хSnхS и теоретически обоснована возможность его использования в качестве чувствительного материала для ПИП электромагнитного излучения ИК спектра.

Результаты изучения механизма проводимости говорят о том, что зависимость электросопротивления сплава от концентрации компонентов имеет два минимума: при значениях х = 0,333 и 0,666. По влиянию температуры на электросопротивление тонкопленочных образцов исследована зависимость энергии активации сплава Cd1-хSnхS от концентрации компонентов (CdS и SnS) в интервале значений х от 1 до 0,6 (рис. 1). Из графика видно, что энергия активации в значительной степени зависит от концентрации компонентов. Поэтому на основе данного материала можно создавать полупроводники с заданной энергией активации в диапазоне от 0,6 до 0,09 эВ.

В работе описан процесс формирования проводимости в ПИП излучения, экспериментально подтверждена корректность результатов исследования. Установлено, что изменение величины фототока в ПИП, облучаемом электромагнитным излучением, можно описать следующим соотношением

0.2 0,4 0.6 0.8

—»

Рис. 1. Зависимость энергии активации сплава

от концентрации компонентов CdS и 8п8

где е - заряд электрона; Ну - энергия кванта; Я0 - коэффициент отражения; в - квантовый выход внутреннего фотоэффекта; с1,1 - толщина и длина пленочного элемента соответственно; и - напряжение в цепи ПИП; т - время жизни носителей; ^ - подвижность носителей; а - коэффициент поглощения, изменяющийся по

закону

a » exp

(hn- Eg і' g2

где Ег - энергия активации полупроводникового материала; у - для узкозонных материалов ~ 10 мэВ.

Как видно из приведенных соотношений, фототок зависит, в основном, от коэффициента поглощения полупроводника, а, следовательно, от энергии активации. Т аким образом, область максимальной чувствительности селективного ПИП, созданного на основе рассматриваемого материала совокупно охватывает диапазон электромагнитного излучения в интервале от 5 до 12,5 мкм. В данном диапазоне работает большинство ИК анализаторов.

На основе полученных результатов проводится работа по созданию ОГ, использующего рассматриваемый ПИП, предназначенный для анализа среды на содержание различных газов.

В наших исследованиях разработан ОГ, в основе которого лежит запатентованная конструкция ПИП [2], представляющая собой фоторезистивную тонкопленочную матрицу с чувствительными элементами, выполненными на основе сплава Сё1-х8пх8 с различной областью чувствительности (рис. 2). С целью компенсации влияния темновых токов каждый ПИП дублирует аналогичный пленочный элемент, закрытый от излучения экраном. Это позволяет фиксировать темновой ток и учитывать его в процессе измерения.

Основными преимуществами разработанного ПИП являются возможность компенсации влияния темновых токов и расширение диапазона принимаемого излучения за счет создания ряда селективно работающих ПИП, область чувствительности которых совокупно охватывает заданный диапазон ИК излучения. Используя предложенный ПИП в оптических приборах, можно строить спектральное распределение ИК излучения, пропускаемое различными средами.

Рис. 2. Первичный измерительный преобразователь на основе сплава С^.^пЗ:

1 - подложка; 2 - чувствительные элементы из сплава Сё^ХЗпХЗ с различной концентрацией легирующего компонента; 3 - проводящий слой;

4 - защитный слой; 5 - экран

Известно, что разреженные газы, поглощая поток излучения, пропускают линейчатый спектр излучения. Каждый газ пропускает строго определенный набор длин волн и дает характерный для данного химического элемента линейчатый спектр. Изменение концентрации газа, или появление в его составе иных примесей вызывает определенные изменения в спектре пропускания данного газа. Т ак, например, для углекислого газа спектр поглощения состоит из полос, соответствующих длинам волн ~15; 4,3; 2,7 и 1,9 мкм [1]. Таким образом, регистрируя спектр поглощения газовой среды, можно определять ее состав.

Этот эффект используется в предложенной схеме, представленной на рис. 3. Для увеличения стабильности работы, а также для компенсации темновой составляющей проводимости используется автокомпенсационная двухлучевая оптическая схема, в которой измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причем, один из лучей проходит через запаянную вакууммированную кювету, что позволяет построить спектральное распределение чистого луча. Второй луч проходит через кювету с газом. Измерительная система фиксирует спектры поглощения анализируемой среды и по имеющейся базе данных определяет состав компонентов, входящих в газовую смесь. Концентрация компонентов определяется по изменению фототока в измерительной ячейке методом сравнения с эталонным сигналом.

К достоинствам предложенной схемы можно отнести ее быстродействие. Если для газовых датчиков, в основе измерения которых лежит химическое взаимодействие с определяемым газом (термокаталитические и электрохимические сенсоры), существует принципиальное ограничение времени измерения, определяемое скоростью протекания химических реакций и составляющее обычно несколько секунд, то для разрабатываемого оптического - быстродействие определяется инерционностью ПИП и достигает долей секунды [3].

Меняя длину газовой камеры и концентрационный шаг измерительных ячеек, можно создавать приборы на основе рассматриваемой схемы для измерения в самых разных диапазонах концентраций и с различной чувствительностью.

В настоящее время продолжаются работы по совершенствованию предложенного газоанализатора, разрабатывается программное и метрологическое обеспечение прибора.

Рис. 3. Схема оптического газоанализатора с ПИП на основе С^^п^:

1 - источник ИК-излучения; 2 - модулятор; 3 и 3’ - кюветы с анализируемыми газами и с вакуумом соответственно;

4 - ПИП на основе Сё^п^З; 5 - усилитель; 6 - АЦП;

7 - микропроцессорная система; 8 - показывающий прибор

1. Блох, А.Г. Основы теплообмена излучением : справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. - М. : Энергоатомиздат, 1991. - 431 с.

2. Пат. 2189667 Российская Федерация, МПК7 Н 01 L31/09, 31/115,

G 01 T1/24. Первичный измерительный преобразователь ультрафиолетового и гамма-излучений, осуществляющий компенсацию погрешностей, вызванных влиянием темновых токов / Поляков Е.В. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 20001116410/28 ; заявл. 21.06.00 ; опубл. 21.09.02, Бюл. № 26 (II ч.). - 3 с.

3. Поляков, Е.В. Узкозонный детектор ИК-излучения на основе сплава Cd1-xSnxS / Е.В. Поляков, Ю.А. Брусенцов, А.М. Минаев // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та. - 2003. - Т. 9, № 1. - С. 85-89.

Development of Optical Gas Analyzer on the Basis of Selective Transformer of Ray Flows of Low Energy

A.Yu. Kuzmin, Yu.A. Brusentsov, E.V. Polyakov, V.I. Ilyin, V.S. Malikov

Department “Materials and Technology ”, TSTU

Key words and phrases: infrared spectrum; narrow zone semiconductor; optical gas analyzer; spectrum distribution.

Abstract: The design of optical gas analyzer on the basis of selective initial measuring transformer for registration of gas absorption spectra is proposed.

Erarbeitung des optischen Gasanalysators aufgrund des selektiven Reformators der Strahlungsströme der kleinen Energie

Zusammenfassung: Es ist die Konstruktion des optischen Gasanalysators aufgrund des selektiven primären Messreformators für die Registrierung der Spektren der Absorption der Gase angeboten.

Elaboration du gazoanalyseur optique à la base du transformateur sélectif des flux de rayons de la petite énergie

Résumé: Est proposée la construction du gazoanalyseur optique à la base du transformateur sélectif primaire pour l’enregistrement des spectres de l’absorption des gaz.