ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА

Область применения предлагаемого измерителя концентрации озона - измерение концентрации озона в атмосферном воздухе и в воздухе рабочей зоны, например в химической промышленности и климатических установках..
Известен измеритель концентрации озона, состоящий из ультрафиолетовой лампы, кюветы с распределителем потока, измерительного и опорного фотоприемников, микропроцессорного блока управления и индикатора, кювет разной длины с распределителями потока и измерительными и опорными фотоприемниками, подключенными к входам усилителей, выходы которых соединены с аналогово-цифровым преобразователем, встроенным в микроконтроллер микропроцессорного блока управления (Патент на полезную модель №71165 МПК G01N 21/00).
Недостатком этого измерителя является сложное в изготовлении и эксплуатации устройство, имеющее большие габариты, массу и энергопотребление.
Известен также измеритель озона, состоящий из датчика и измерительного блока, причем датчик выполнен в виде диэлектрической подложки с полупроводящим слоем, а измерительный блок представлен омметром, электрически соединенный с полупроводящим слоем, подложка выполнена из кварцевого стекла, а полупроводящий слой сформирован из подложки путем имплантации ионов углерода в ее поверхность и последующего отжига (Патент на полезную модель №39405 МПК G01N 27/00).
Недостатком этого измерителя является низкое быстродействие и низкая селективность по отношению к озону.
Технический результат в предлагаемом измерителе концентрации озона заключается в: обеспечении высокого быстродействия, снижении массы и габаритов, высокой селективности по отношению к озону.
Обеспечивается технический результат тем, что чувствительный элемент выполнен в виде твердой подложки с полупроводниковыми квантовыми точками, а также тем, что чувствительный элемент может быть выполнен в виде слоя пористого кремния на кремниевой подложке и в качестве полупроводниковых квантовых точек используются коллоидные полупроводниковые квантовые точки.
Устройство измерителя концентрации озона показано на Фиг.1. Измеритель концентрации озона состоит из: чувствительного элемента 1, измерительного фотоприемника 2 и схем коммутации и обработки сигналов 3. Чувствительный элемент 1 располагают, например, в измерительной камере, обеспечивающей взаимодействие озона с рабочей поверхностью чувствительного элемента, например, в проточном режиме. Измерительный фотоприемник 2 регистрирует люминесцентные кванты и вырабатывает электрический сигнал, поступающий в схемы коммутации и обработки сигналов 3. На выходе схем коммутации и обработки сигналов 3 может устанавливаться индикаторное устройство, либо сигналы могут передаваться для дальнейшей обработки в иные устройства.
Принцип действия предлагаемого измерителя концентрации озона основан на явлении хемилюминесценции полупроводниковых квантовых точек (нанокристаллов) при адсорбции молекул озона из газовой фазы [1-3]. При взаимодействии молекулы озона с поверхностью полупроводникового нанокристалла происходит химическая реакция окисления поверхностных атомов, в ходе которой высвобождающаяся энергия может быть израсходована, с некоторой вероятностью, на возбуждение электронной системы нанокристалла (генерация электрон-дырочной пары), с последующей релаксацией возбужденного состояния в виде излучательной рекомбинации электрон-дырочной пары.
Проведенные в Петрозаводском государственном университете исследования доказывают наличие эффекта озон-индуцированной люминесценции в наноструктурированном пористом кремнии и коллоидных квантовых точках CdSe. Исследовано воздействие возбужденных состояний ряда элементов, присутствующих в атмосферном воздухе в молекулярной форме (азот, водород), в отношении их способности самостоятельно возбуждать или гасить люминесценцию. Получены данные о пренебрежимо малой величине такого воздействия.
Таким образом, предлагаемый измеритель концентрации озона, принцип действия которого основан на эффекте озон-индуцированной люминесценции полупроводниковых квантовых точек, обладает высокой селективностью по отношению к озону.
Предлагаемый измеритель концентрации озона характеризуется широким динамическим диапазоном регистрации, высоким быстродействием, небольшими массой и габаритами, малым энергопотреблением, высокой селективностью по отношению к озону.
Измеритель может быть выполнен в виде портативного устройства, применен в здравоохранении, для контроля концентрации озона в воздухе рабочей среды различных производств, мониторинга воздушной среды.
Библиографичекие ссылки:
1. S.N.Kuznetsov, V.B.Pikulev, A.N.Skorokhodov, Yu.E.Gardin, V.A.Gurtov. Observation of adsorption-induced luminescence in porous silicon. - Appl.Surf.Sci., v.140, pp.239-242 (1999).
2. C.H.Кузнецов, В.Б.Пикулев, А.А.Сарен, Ю.Е.Гардин, В.А.Гуртов. Возбуждение люминесценции пористого кремния при адсорбции молекул озона. - Физика и техника полупроводников, т.35, вып.5, с.604-608 (2001).
3. S.N.Kuznetsov, А.А.Saren, V.B.Pikulev, Yu.E.Gardin, V.A.Gurtov. Molecular interaction of ozone with silicon nanocrystallites: A new method to excite visible luminescence. - Appl.Surf.Sci., v.191 (1-4), pp.247-253 (2002).