CC BY
51
2. Волков В. Ю., Батышкина В. В. Повышение точности прогноза степени загрязнения атмосферного воздуха в автоматизированной системе экологического мониторинга // Датчики и системы. №6. 2010. С. 34.
V.U. Volkov, V.V. Batyshkina
INTELLIGENT ENVIRONMENTAL MANAGEMENT SYSTEM OF AIR OF INDUSTRIAL CLUSTER
The opportunity of a scientifically-based advice the decision maker (DM) for the adoption of best management decisions, the directions to reduce the concentration of air pollutants, taking into account both environmental and economic factors, using the methods of multiobjective optimization.
Key words: pollutants, the concentration of pollutants, atmospheric air, an intelligent system of environmental management, the Pareto principle, expert evaluation, decision-making.
Получено 07.03.12
УДК 629.7.018
О.А. Герасимова, ассист., (4872) 33-24-42,
olga. [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ И ТЕРМОДЕПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ВАРИСТОРНОЙ КЕРАМИКЕ НА ОСНОВЕ ZNO И AZO
Представлены результаты экспериментальных исследований и температурных зависимостей термоЭДС в оксидно-цинковой керамике для высоковольтных вари-сторов. Обсуждаются механизмы термодеполяризационных явлений и их связь с основными электрическими характеристиками варисторов.
Ключевые слова: варисторы, варисторная керамика, полупроводниковые кристаллы, уровень Ферми.
Керамика на основе оксида цинка (ZnO) с добавками нескольких других оксидов металлов ( Sb2O3; Вi2Oз; CoO; Cr2O3; Mn2O3) широко используется для производства высоковольтных варисторов [1]. Она обладает нелинейными вольтамперными характеристиками, которые имеют симметричный вид, описывающийся уравнением
I = A-UP,
где I - сила тока; U — напряжение; А - const; [3 - коэффициент нелинейности.
Для лучших образцов ß имеет значение 50 ... 100. Варисторы широко используют для защиты электрических сетей и радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий при грозовых разрядах и коммутационных переключениях мощных потребителей электрической энергии. В основном за варисторные свойства керамики несут ответственность монокристаллитные потенциальные барьеры (МПБ) в виде тонкой диэлектрической фазы (1 ... 3 мкм) с прилегающими к ней областями пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводниковых кристаллитах ZnO размером 5 ... 15 мкм. При прохождении тока через барьеры определяющую роль играют локализованные электронные состояния, связанные с дефектами кристаллической решетки в виде кислородных вакансий, хемо-сорбированного кислорода и примесных атомов (Со, Cr) [2]. Считается, что диэлектрическая прослойка и кристаллиты в оксидно-цинковой керамике обладают одинаковой проводимостью n-типа, но отличающейся по величине на несколько порядков. Однако, изучение образцов варисторной керамики методом термостимулированной деполяризации (ТСД) [3,4] показало, что сложные температурные зависимости тока ТСД могут быть объяснены при допущении перезарядки ЛЭС в процессе деполяризации.
Физический механизм подобного явления и связь с основными свойствами варисторов не установлена, что и явилось задачей нашей работы. Для изучения был выбран простой метод, основанный на эффекте Зее-бека.
Методика подготовки образцов варисторной керамики
Для смешивания исходных компонентов шихты использовали шаровую мельницу с циркониевыми шарами с соотношением масс порошок-шары 1:5 в условиях влажного и сухого помола. Основой варисторной керамики № 1 служит ZnO, компоненты шихты находятся в массовых долях Sb2O3:Bi2O3:Co3O4:Mn2O3:Cr2O3:NiO, как 4,2:2,7:0,9:0,2:0,1:0,2, соответственно, смешивание влажное. Основой варисторной керамики № 2 служит AZO, компоненты шихты находятся в массовых долях Sb2O3:Bi2O3:Co3O4:Mn2O3:Cr2O3:NiO, как 4,2:2,7:0,9:0,17:0,3:0,2, соответственно, смешивание влажное. Основой варисторной керамики № 3 служит AZO, компоненты шихты находятся в массовых долях Sb2O3:Bi2O3:Co3O4:Mn2O3:Cr2O3:NiO, как 5,07:3,2:0,12:0,5: - :0,72, соответственно, смешивание сухое. AZO - смесь ZnO и 2 % Al(OH)3. Основой варисторной керамики № 4 (фирма «EPCOS») служит ZnO, компоненты шихты находятся в массовых долях Sb2O3:Bi2O3:Co3O4:Mn2O3:Cr2O3:NiO, как 7,09:3,76:0,44:0,2:0,4:0,4 соответственно. Пресс-порошоки варистор-ных смесей содержали 8,5 ... 9 % бидистиллированной воды. Прессование цилиндрических образцов выполнили при давлениях 60 . 80 МПа. Спекание в атмосфере О2 и на воздухе проводили при температурах 1200. 1300 оС.
Для электрических измерений использовали серебряные электроды,
полученные нанесением электропроводящего клея «Контакотол» и термообработкой на воздухе при 200 + 300 оС. Измерения сопротивлений образцов при низких и высоких напряжениях выполнили приборами Е 6-10 и А 410212-1 М, коэффициент нелинейности (в) нашли по ВАХ (вольт-амперная характеристика), плотность измерили гидростатическим методом, электроемкость на частоте 1 кГц прибором DT 890 В. Термо э.д.с. определяли прямым измерением цифровым милливольтметром в нестационарных тепловых условиях. Схема установки для проведения измерений показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки:
1 - электронный термометр; 2 - керамика; 3 - термопара;
4 - электроды; 5 - милливольтметр
Измерения термоЭДС проводили в нестационарных тепловых условиях путем установления контакта с предварительно разогретой до 200 0С поверхностью металла. Второй электрод контактировал с массивным куском металла при комнатной температуре. Установка для измерений термо э.д.с. калибровалась по эталонным термопарам и источникам постоянного тока. Температуру измеряли электронным термометром ТК - 5.
Результаты эксперимента
Для AZO удельное сопротивление на несколько порядков ниже чем у керамики ZnO. Наиболее сильно варисторный эффект нелинейности ВАХ выражен у образцов 1 и 4 (основа ZnO) (табл. 1) с коэффициентом нелинейности более 20.
ВАХ этих образцов приведены на рис. 2. Варисторы с основой AZO № 2 и 3 имеют ^ значительно ниже, чем у образцов № 1 и 4, но при напряжении 2500 В сопротивления различаются незначительно, т. о. на электрические свойства варисторов существенное влияние оказывает состояние основы. Для образца № 3 в не определили, т. к. ВАХ обладает участком с отрицательным сопротивлением. ВАХ этого образца при различных температурах приведен на рис. 3 и имеет S-образный вид, который не связан с термической природой.
Таблица 1
Электрические свойства варисторной керамики
Тип Размеры Ro , R1000 R2500 С, пФ в
варистора Мом Мом МОм у= 1 кГц
№ 1 0 20 Н7 >1000 5 2,5 420 20
№ 2 0 20 Н7 4 0,9 0,25 650 3
№ 3 0 9 Н6 12 5,1 2,5 70 -
№ 4 0 20 Н5 >1000 100 7,5 390 25
Таким образом, несмотря на схожесть химического состава вари-сторных добавок, различия в ВАХ очень существенны и обусловлены различием в основе, условиями приготовления варисторных смесей и условиями спекания. В частности спекание в атмосфере кислорода дает дефекты в виде хемосорбированного кислорода, а использование мокрого помола приводит к появлению гидроксильных групп О - Н- , что существенно влияет на положение уровня ЛЭС. Для определения характера проводимости использовали метод термо э.д.с.
Обсуждение результатов
В моделях варисторной электропроводности используются три уровня: мелкий донорный уровень с энергией ионизации = 0,07 эВ, расположенный вблизи уровня Ферми в равновесных условиях, примесный донорный уровень с энергией ионизации 0,2...0,25 эВ и уровень поверхностных электронных состояний (ПЭС) 0,8 эВ на границах полупроводниковых кристаллитов, созданных хемосорбционным кислородом. Путем решения уравнений непрерывности электрической индукции и потенциала на границах полупроводник - диэлектрик можно получить зависимости
и 1 (иВ ) и и2 (иВ ), где иВ - напряжение, прилагаемое в кристаллите, и 1 - напряжение ив в случае обратно смещенных ОПЗ, и2— напряжение ив в случае прямо смещенных ОПЗ [2]. Эти зависимости показаны на рис. 4.
Таким образом, при перезарядке ЛЭС должны происходить колебания напряжения от и 1 до и2 в областях ОПЗ без изменения знака. В тоже время измерения термо э.д.с. образцов варисторной керамики при температурах 20 ... 80 оС и АТ =200 оС показали, что при перезарядке ОПЗ разность потенциалов между электродами может изменять знак (табл. 2), т. е. в перезарядке принимают участие проводимости п- и р-типа.
Рис.2. Вольт-амперная характеристика образцов варисторной
керамики
Рис.3. Вольт-амперная характеристика образца №3 при различных
температурах
285
ив 'ив
0,8 0,6 0,4
0,2-
Рис. 4. Зависимость падений напряжения в случае прямо (1) и обратно смещённых ОПЗ (2)
Таблица 2
Значения термоЭДС образцов варисторной керамики _при АТ =200 "С_
№ и/и
Название керамики
Средняя температура образцов
20 °С 50 °С
80 °С
1
№ 8 ZnO:Bi(5)
спек, в От вл. помол
[А(рх (mV) А(р2 (mV)
9,1 + 4,2
-8,5 + 5,6
7,8 + 6,0
№2 АгО: Вх(5)
\А(рх (mV)
спек, в От вл. помол ] А /
I A(p1(mV)
-2,2 + 4,0
+ 3,2 + 9,0
+ 6,0 + 12,0
АгО: В1(5), 8-обр. хар
[А(ру (mV)
спек, в 02 сух. помол | А(р (ту}
-12,0 + 1,5
14,0 + 1,0
23.0
14.1
EPCOS
до и после пробоя '
А(рх (mV) A(p,(mV)
8,5 + 4,4 2,1 + 0,5
-7,0 + 4,8 -2,6 -0,7
6,0
+ 5,3
зд
0,9
Уровень хемосорбированного кислорода с энергией ионизации 0,7 эВ. В образцах № 1 и 4, судя по данным табл.2, положение этих уровней и их заполнение слабо зависят от температуры.
Энергия активации электропроводности в соответствии с представлениями [4 - 6] соответствует высоте потенциального барьера, созданного уровнями ЛЭС в МПБ. Однако, как показано [6] в тонких пленках ZnO, легированного кобальтом наблюдается ферромагнетизм при комнатной температуре. Таким образом, варисторная керамика представляет собой очень разбавленные магнитные полупроводники, в которых электронный транспорт существенно зависит от состояния магнитной подсистемы и соответственно от концентрации подвижных носителей зарядов (дырок и свободных электронов) и положения уровня Ферми [7]. Обменное взаимодействие между атомами магнитных примесей является косвенным и осуществляется через носителей заряда, либо через дефектные (примесные) электронные состояния с ненулевым спином. Ферромагнетизм в оксиде цинка чувствителен как к концентрации магнитной примеси, так и к кислородной нестехиометрии. Кислородные вакансии в керамике ZnO1-x, создают глубокие донорные уровни, т. о. электропроводность при низких температурах определяется прыжковой проводимостью (р-типа), и при высоких температурах переносом электронов в зоне проводимости. Однако, как видно из табл. 2 в зависимости от условий получения варисторной керамики, проводимость р-типа может быть также доминирующей при высоких температурах, что объясняется изменением положения уровня Ферми с температурой.
Список литературы
1.Квасков В.Б., Чернышова М.А. Электрофизические свойства и применение металлооксидных варисторов. М.: Информэлектро, 1985. 55 с.
2.Аморфные и полукристаллические полупроводники / под ред. В. Хейтванга. М.: Мир, 1987. 160 с.
3.Тонкошкур А.С, Клименко В.И., Гомилко И.В. Особенности тер-модеполяризационных явлений в оксидно-цинковой керамике для варист-ров // ЖТФ. 1997. Т.67, №10, с.60-63.
4. Ивон А.И. Параметры кристаллов ZnO в оксидно-цинковой керамике //Неорганические материалы. 2000. Т.36. №10. С.1272-1276.
5. Авдеенко Б.К., Макаров В.О., Скляр С.Ф. Влияние высокотемпературного обжига на свойства оксидно-цинковой керамики // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1986. Т.22. №7. С. 1230-1232.
6.Кытин В.Г. Кульбачинский В.А., Глебов Д.С. Электропроводность и магнитные свойства тонких пленок оксида цинка, легированного кобальтом // ФТП. 2010. Т.44. №2. С.164-169.
7.Каган М.Ю., Кугель К.И. Неоднородные зарядовые состояния и фазовые расслоения в манганитах // УФН. Т.171. №6. С.577-596.
O. Gerasimova
ELECTRICAL CONDUCTIVITY AND TERMODEPOLYARIZATSIONNYE THE PHENOMENA IN VARISTOR TO CERAMICS ON THE BASIS OF ZNO AND AZO.
The results of experimental studies and temperature dependences of the thermal electromotive force in zinc-oxide ceramics for high-va-Ristori. The mechanisms termodepolyarizatsionnyh phenomena and their connection with the basic electrical characteristics of varistors.
Key words: varistors, varistor ceramics, semiconductor crystals, uroven Fermi.
Получено 07.03.12
УДК 004.7
Ф.А. Данилкин, д-р техн. наук, проф., [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.В. Новиков, канд.техн. наук, (4872) 33-24-45, n o vik o v [email protected]
(Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.В. Седельников, нач. сектора
(Россия, Тула, ТРО МОО «Академия информатизации образования»), А.А. Сычугов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-24-45, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕЛОЧИСЛЕННОГО КВАДРАТИЧНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ В ЗАДАЧЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА
Рассматривается задача оптимального проектирование систем мониторинга по стоимостному критерию. Дана формулировка задачи проектирования в виде задачи целочисленного квадратичного программирования. Для уменьшения сложности задачи предложено применение двойственных задач.
Ключевые слова: система, мониторинг, передача данных, целочисленное квадратичное программирование, двойственная задача линейного программирования.
Современные требования к обеспечению безопасности жизнедеятельности населения региона диктуют необходимость непрерывного мониторинга состояния потенциально опасных объектов, находящихся на территории субъекта федерации. Мониторинг может осуществляться как локально (силами диспетчерской службы организации, в ведении которой находится потенциально опасный объект), так и глобально, в масштабах региона или страны в целом.
