CC BY
1ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ВЕСТНИК ТСГУ. 2023. №1 (68)
УДК 535.343.2:535.372:666.22
И. М. Плешанов, А. О. Белорус
ПРИМЕНЕНИЕ ОКСИФТОРИДНЫХ СТЕКОЛ С КЛАСТЕРАМИ СЕРЕБРА И ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЗИЦИ-ОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИСКРЫ
Плешанов И. М. - аспирант факультета «Фотоники», (Университет ИТМС), e-mail: im-pleshanov@itmo.ru; Белорус А. О. - канд. техн. наук, инженер факультета «Электроники», (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), e-mail: mop_92@mail.ru.
В статье рассмотрена принципиальная схема позиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры и электрического разряда со спектральным преобразователем излучения. Рассчитана оптическая эффективность сбора света и размеры пятен рассеивания при различных углах. В качестве преобразователя излучения исследовано оксифторидное стекло с молекулярными кластерами серебра и ионами самария. Приведены его оптические характеристики: оптическая плотность и квантовый выход люминесценции. Показана принципиальная возможность использования в качестве преобразователей излучения стекол, содержащих кластеры серебра и ионы редкоземельных металлов.
Ключевые слова: искра, волоконно-оптический датчик, преобразователь излучения, молекулярные кластеры серебра, ионы редкоземельных металлов, самарий.
Введение
Искровым разрядом или электрической искрой называется электрический разряд, возникающий в обычной среде при атмосферном давлении представляющий из себя пучок ярких полос. Такие яркие полосы заполнены плазмой не только ионов газа, но и ионов электродов, испаряющихся под действием искрового разряда. Сдним из типов электрического разряда является дуговой разряд. Дуговой разряд может возникать как следствие электрического пробоя, при кратковременном резком повышении напряжения между электродами. Предшествующим дуговому разряду при атмосферном давлении является электрическая искра [1]. Детектирование электрической искры или дугового разряда является актуальной задачей в пожаробезопасности различных объектов. Сдним из методов обнаружения является оптический контроль излучения от электрической искры или дугового разряда. В качестве приборов используют волоконно-оптические датчики. Сни состоят из диэлектрических материалов и могут применяться в средах с высокими электромагнитными полями.
© Плешанов И. М., Белорус А. С., 2023
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
Такие датчики могут использоваться в шкафах комплектных распределительных устройств (КРУ) и систем автоматического управления (САУ), электрических подстанциях, трансформаторных агрегатов, а также на морских и авиасудах.
Существуют несколько оптических методов обнаружения электрической искры. Одним из таких методов является фокусирование излучения от электрической искры на торце оптического волокна с помощью линзы (Broadcom AFBR-S10PS01xZ). Недостатками данного метода являются: невозможность точного определение местоположения искры и низкая чувствительность. Метод протяженного оптического волокна (в основном используют полимерные волокна), основанный на захвате излучения при боковом падении. Недостатком данного метода является низкая чувствительность за счет использования полимерного оптического волокна. Следующий метод люминесцентного волокна или волокна с люминесцентной оболочкой основан на возбуждении и захвате излучения люминесценции в волокно [2]. Недостатками данного метода являются низкая чувствительность, низкое пространственное разрешение, высокие потери в коротковолновой области передаваемого излучения по оптическому волокну.
В качестве прибора обнаружения электрической искры или дугового разряда была разработана схема позиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры [3]. Преимуществом данной схемы является определение местоположения искры по двум или трем координатам в пространстве.
Целью работы является показать принципиальную возможность использовать в качестве преобразователей излучения люминесцентных стекол молекулярными кластерами (МК) серебра и ионами редкоземельных металлов (самария). Показать ход лучей при использовании разработанной схемы волоконного датчика искры. Исследовать и оптимизировать характеристики оптической системы датчика. Исследовать сбор света оптической системы с помощью моделирования.
Материалы и методы изучения
С помощью программного обеспечения Zemax была проведена оценка хода лучей через разработанную схему волоконно-оптического датчика [4]. В рамках данной работы исследованы оксифторидные образцы стекол состава (SiO2 AIF3 PbF2 CdF2 ZnF2) с добавлением нитрата серебра (AgNO3 5 молярных процентов) и фторида самария (2 молярных процента). Формирование образцов происходило при атмосферном давлении в печи при температуре 950 °С в течение 1 часа. Как известно, что ионы свинца и фторидная матрица создают восстановительную среду для ионов серебра. В процессе формирования стекол (литья и охлаждения) ионы серебра восстанавливаются раньше нейтральных атомов, за счет этого идет образование молекулярных кластеров Agn (n 2-8)
[5].
Для измерения спектров поглощения и люминесценции использовались приборы Lambda 650 PERKlN ELMER и Luminescence Spectrometer LS50B. На рисунке 1 представлена принципиальная схема измерений температурного воздействия на люминесцентные свойства представленных в работе образцов.
ПРИМЕНЕНИЕ ОКСИФТОРИДНЫХ СТЕКОЛ С КЛАСТЕРАМИ СЕРЕБРА И ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬ-НОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИСКРЫ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
Рис. 1. Схема для исследования температурного тушения люминесценции образцов
Образец 1 в виде люминесцентного стекла помещали в печь (индукционную) 2. Излучение от лазерного модуля (КЬ-405 с длиной волны 405 нм) 3 проходит через поляризационный светоделительный кубик 4, отраженная составляющая попадает на контрольный фотодиод 5, а прошедшая компонента попадает на образец и возбуждает в нем люминесценцию, которая сопровождается излучением в видимом диапазоне спектра. Далее излучение собирается в торец оптического волокна 6 с помощью собирающей линзы 7, и регистрируется спектрофотометром (AvaSpec-2048) 8. Контроль температуры внутри печи ведется с помощью термопары 9. Контроль излучения от лазерного модуля ведется с помощью фотодиода 5 и подключенного к нему мультиметра 10.
Результаты и обсуждение
Для определения местоположения искры по двум координатам была разработана схема позиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры [3]. Для обнаружения искры в пространстве, которая удалена от оптической системы датчика искры на небольшое расстояние, излучение можно принимать в виде точечного источника света. На рисунке 2 представлена смоделированная схема позиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры.
Рис. 2. Моделированная оптическая схема позиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
Излучение от искры 1 (диапазон 300-450 нм) проходит через собирающую линзу 2 и оптический фильтр 3 прозрачный в диапазоне от 280 до 460 нм и фокусируется на люминесцентной пластине 4 (преобразователь излучения).В качестве преобразователя излучения могут выступать различные люминесцентные стекла или полимеры [6-8]. Далее излучение преобразовывается в видимую область спектра и попадает на торцы передающих оптических волокон 5 [9]. После распространения излучения по оптическому волокну оно попадает на фотоприемник и регистрируется. Разрешение такого датчика зависит от оптической системы, при использовании оптической системы из двух, трех или четырех линз разрешение может достигать 0,1° падающего излучения. При этом нужно использовать соответствующие диаметры оптических волокон, сравнимые с фокальным пятном, получаемым линзовой системой (рис. 3). В данном случае могут подойти оптические волокна с диаметром сердцевины 1000 мкм и высокими значениями входной апертуры от 0,3 до 0,5.
Для математического моделирования в программном обеспечении Zemax взята линза, состоящая из материала ^ВК7, фокусное расстояние которой составляет 48,1 мм. Расстояние от линзы до преобразователя излучения оптими-зированно таким образом, чтобы пятна собранного излучения были сопоставимых размеров друг с другом. Углы падения, при которых проходила оптимизация, соответствовали значением: 0°, 4°, 8°, 12°, 16°, а длина волны излучения 405 нм. Расстояние от линзы до преобразователя излучения после оптимизации равно 48,5 мм. Поляризация в данном моделировании не учитывалась.
radius
Рис. 3. Точечная диаграмма фокальных пятен при различных углах падения
ПРИМЕНЕНИЕ ОКСИФТОРИДНЫХ СТЕКОЛ С КЛАСТЕРАМИ СЕРЕБРА И ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬ-НОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИСКРЫ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
Была определена эффективность сбора излучения для данной оптической системы Пл при различных углах падения. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1
Эффективность линзы при различных углах падения
Угол падения, ° 0 4 8 12 16
Пл 98,9 98,6 97,9 97,1 96,7
Из рисунка 3 видно, что при увеличении угла падения увеличивается радиус пятна рассеивания и меняется форма пятна. Увеличение радиусов пятна рассеивания приводит к ухудшению разрешения оптической системы. Устранить данный недостаток можно использованием сферического расположения оптических волокон. На рисунке 4 представлена зависимость угла падения излучения от радиуса пятна рассеивания. Исходя из данной характеристики можно сделать вывод, что оптическая система не подвергает сильным изменениям радиусов пятна рассеивания до угла падения ± 10°, что дает возможность использовать оптические волокна одного диаметра в этом диапазоне.
1100-,
Е ^
(Я 13
тз
го '
о
CL (Я
о ф
Е
о ф
О
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Angle of incidence (°)
Рис. 4. Зависимость угла падения излучения от радиуса пятна рассеивания
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
В качестве преобразователя оптического излучения от искры предлагается использовать оксифторидные стекла с кластерами серебра (МК) и ионами редкоземельного металла самария (ИС). Рекомендуется использовать стекла толщиной не более 2 мм, так как после возбуждения люминесценции часть излучения распространяется в направлении движения возбуждающего излучения, а другая часть распространяется под множеством различных углов. В нашем случае исследовалась стекла толщиной не более 1 мм. В рамках данной работы были исследованы оксифторидные стекла с молекулярными кластерами серебра и ионами самария. На рисунке 5 представлен спектр оптической плотности образца. Стекла данного состава обладают прозрачностью от 500 до 800 нм и поглощением в коротковолновой и УФ области спектра. Характерные полосы поглощения для ионов самария ^т3+) на спектрах оптической плотности находятся на 401, 435 и 469 нм длинах волн [10].
0,0-1-.-1-.-1-.-1-.-1-.-,-.
300 400 500 600 700 800
Wavelength (nm) Рис. 5. Спектр оптической плотности
Исходя из графика оптической плотности образец имеет сильное поглощение в коротковолновой области до 450 нм и УФ области спектра. Спектр оптической эмиссии такого стекла представлен на рисунке 6. Он представляет из себя суперпозицию узких линий люминесценции ионов самария и широких участков люминесценции МК серебра.
ПРИМЕНЕНИЕ ОКСИФТОРИДНЫХ СТЕКОЛ С КЛАСТЕРАМИ СЕРЕБРА И ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬ-НОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИСКРЫ
0,0 I..................
450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 Wavelength (nm)
Рис. 6. Спектр люминесценции
Исследуемый образец оксифторидного стекла с МК серебра и ИС сдержит максимумы спектров люминесценции на длинах волн 563, 600, 646 нм для ионов самария. Данные максимумы соответствуют 4G5/2^■6H5/2, 4G7/2^■6H7/2, 4G5/2^■6H9/2 переходам. Квантовый выход данного образца равен 37,1% при измерении на длине волны возбуждения 405 нм.
На рисунке 7 показан спектр тушения люминесценции при различных температурах нагрева образца. Можно наблюдать, что вклад в люминесценцию МК серебра и ИС не изменяется и максимумы остаются в тех же местах.
-23°
0,0 I....................
425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675
Wavelength (nm)
Рис. 7. Спектры тушения люминесценции при различных температурах
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
Данная характеристика позволяет увидеть, что данное стекло можно использовать как преобразователь излучения в различных агрессивных средах при высоких температурах. С помощью изменения интенсивности люминесценции можно измерять и фиксировать температурные условия окружающей среды.
При попадании излучения от искры на фотолюминесцентную пластину, после процесса возбуждения люминесценции, часть излучения распространяется в направлении движения возбуждающего излучения, а другая часть распространяется под множеством различных углов. Следовательно, после преобразования излучения фокальное пятно увеличивается в размерах. На рисунке 8 представлена характеристика увеличения пятна рассеивания при 0 °.
Рис. 8. Изменение пятна рассеивания и его интенсивности после попадания па преобразователь излучения
Из-за того, что излучение люминесценции распространяется в разные стороны, наблюдается уменьшается интенсивность падающего излучения на торец оптического волокна ~ в 5 раз и увеличивается пятно ~ в 2 раза. Данный расчет производился с помощью программного обеспечения 2ешах в непоследовательном режиме, при толщине преобразователя излучения 1 мм. Для исключения такого рода негативного фактора можно наносить пленки люминес-цирующего материала на торцы оптических волокон.
ПРИМЕНЕНИЕ ОКСИФТОРИДНЫХ СТЕКОЛ С КЛАСТЕРАМИ СЕРЕБРА И ИОНАМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬ-НОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ИСКРЫ
Выводы
В данной работе был предложен метод по увеличению чувствительности позиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры с применением фотоприемников чувствительных в длинноволновом диапазоне видимой области спектра. Увеличение чувствительности достигается за счет преобразования УФ и коротковолнового излучения от электрической искры. Исследованы неорганические люминесцентные оксифторидные стекла с МК серебра и ИС для использования их в качестве преобразователей излучения по-зиционно-чувствительного волоконно-оптического датчика искры. Показано, что стекла данного состава обладают прозрачностью в диапазоне от 500 до 800 нм и поглощением в коротковолновой и УФ области спектра. Данные стекла обладают широкой полосой люминесценции в диапазоне от 450 до 700 нм. Был измерен квантовые выход образцов, который составлял от 37.1 % при длине волны возбуждения 405 нм. Показано тушение люминесценции относительно повышения температуры окружающей среды до 200 °С, вследствие чего интенсивность люминесценции уменьшилась в 2 раза. Исследованные стекла подходят для использования их в качестве преобразователей излучения в оптических датчиках искры. С помощью математического моделирования в программном обеспечении 2ешах была промоделирована оптическая часть пози-ционно-чувствительного датчика искры. Получены пятна рассеивания оптической системы в диапазоне от 300 до 1000 мкм. Получены характеристики излучения до и после попадания на преобразователь излучения.
Библиографические ссылки
1. Иванов В. Э. Лабораторная установка для формирования искровых разрядов с заданными параметрами // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2022. Т. 67, № 4.
2. Казачков Ю.П. Патент 2237332 РФ, МПК7 С2 Н 02 Н 7/26. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги / заявитель и патентообладатель НИИ импульсной техники. № 2002126864/09 ; заявл. 07.10.02; опубл. 27.09.04. 4 с.
3. Сидоров А.И., Плешанов И.М. Патент 2715477 РФ. Датчик искрения / заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. 28.02.2020. URL : https://isu.ifmo.ru/pls/apex/f?p=2143:0::DWNLD F:NO::FILE:E233E6DDCF57D F4827F5E94C19D30716 (дата обращения: 31.01. 2023).
4. Агафонова Д.С., Сидоров А.И. Влияние геометрических факторов на эффективность регистрации электрической искры волоконным датчиком с люминесцентной оболочкой // Оптический журнал. 2020. № 2. P. 76-81.
5. Luminescence of molecular silver clusters in oxyfluoride glasses / Kolobkova E. V., Nikonorov N. V., Sidorov A. I., Shakhverdov, T. A. // Optics and Spectroscopy. 2013. 114. 236-239.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 1 (68)
6. Luminescence and energy transfer mechanisms in photo-thermo-refractive glasses co-doped with silver molecular clusters and Eu3+ / Marasanov D. V., Mironov L. Yu., Sgibnev Y. M., Nikonorov N. V. // Physical Chemistry Chemical Physics. 2020.
7. The Role of Thermally Activated Quenching and Energy Migration in Luminescence of Silver Clusters in Glasses / Mironov L. Y., Marasanov D. V., Ulshina M. D., Sgibnev Y. M., Kolesnikov I. E., Nikonorov N. V. // The Journal of Physical Chemistry C, 126(32). 13863-13869.
8. Preparation of ultra-small molecule-like Ag nano-clusters in silicate glass based on ion-exchange process: energy transfer investigation from molecule-like Ag nano-clusters to Eu3+ ions / Zhao J., Yang Z., Yu C., Qiu J., Song Z. // Chemical Engineering Journal. 2018. Vol. 341. P. 175-186.
9. Никоноров Н.В., Сидоров А.И. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна : учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. 130 с.
10. Investigation of the role of silver species on spectroscopic features of Sm3+-activated sodium-aluminosilicate glasses via Ag+-Na+ ion exchange / Li L., Yang Y., Zhou D., Yang Z., Xu X., Qiu J. // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. P. 1-5.
Title: Application of Oxyfluoride Glasses with Silver Clusters and Rare-Earth Metal Ions as a Spectral Radiation Converter of a Position-Sensitive Fiber-Optic Spark Sensor
Authors' affiliation:
Pleshanov I. M. - ITMO University, Saint Petersburg, Russian Federation Belorus A. O. - Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI", Saint Petersburg, Russian Federation
Abstract: In the article, the authors considers a schematic diagram of a positionsensitive fiber-optic spark and electric discharge sensor with a spectral radiation converter. The optical efficiency of light collection and the sizes of scattering spots at various angles are calculated. Oxyfluoride glass with silver molecular clusters and samarium ions has been studied as a radiation converter. Its optical characteristics are given: optical density and luminescence quantum yield. The fundamental possibility of using glasses containing silver clusters and ions of rare-earth metals as radiation converters is shown.
Keywords: spark, fiber-optic sensor, radiation converter, silver molecular clusters, rare-earth metal ions, samarium.
