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Desarrollo de nuevos materiales ópticamente activos para sensores de Temperatura Desarrollo de nuevos materiales ópticamente activos para sensores de Temperatura.

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Presentación del tema: "Desarrollo de nuevos materiales ópticamente activos para sensores de Temperatura Desarrollo de nuevos materiales ópticamente activos para sensores de Temperatura."— Transcripción de la presentación:

1 Desarrollo de nuevos materiales ópticamente activos para sensores de Temperatura Desarrollo de nuevos materiales ópticamente activos para sensores de Temperatura Grupo de Espectroscopía Láser y Altas Presiones Departamento de Física Fundamental y Experimental. Electrónica y Sistema. Universidad de la Laguna (ULL) Tenerife Sergio Fabián León Luis

2 Índice Índice - Introducción: ¿Qué es un sensor óptico de temperatura? - Montaje Experimental - Luminiscencia y Temperatura - Termalización de los niveles de energía - La técnica FIR (fluorescence intensity ratio) - Sensibilidad a la temperatura - Desarrollo de Sensores de Temperatura en la ULL - Estudio teórico sobre la sensibilidad y la temperatura -¿Qué iones pueden ser empleados? - Resultados Experimentales - Sensores Ópticos de Presión y Temperatura - Conclusiones.

3 ¿Qué es un sensor óptico de temperatura? (Xe) 4f N MEDIO ACTIVO= MATRIZ (crIstal o vidrio) + IONES OPTICAMENTE ACTIVOSLANTÁNIDOS Nd 3+ Ho 3+ Eu 3+ Fuentes continuas o pulsadas Experimentalmente se observan grandes cambios con la temperatura… … en la luminiscencia… en los tiempos de vida

4 ¿Qué es un sensor óptico de temperatura? ¿Por qué desarrollar este tipo de sensores frente a los convencionales? Independencia de interferencia electromagnéticas Rango amplio de trabajo Facilidad en el diseño para simultanear varios sensores No está asociada a mejoras en otros equipos auxiliares Costes de producción bajos y rentables Permite medidas in situ en experimentos bajo condiciones extremas de presión y/o temperatura

5 Montaje Experimental Montaje Experimental Láser 488nm, 532nm HORNO CRIOSTATO HORNO

6 Evolución de las Poblaciones de cada nivel a RT E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 EnEn E5E5 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura

7 Termalización de los niveles de energía Energía (10 3 cm -1 ) ,8 E1E1 E2E2 E3E3 RTRT < T < 400ºCT > 400ºC

8 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura Termalización de los niveles de energía Ley de Distribución de Poblaciones de Boltzman Cuando un ión posee dos niveles de energía muy próximos, la población de iones que pueden promocionar al nivel superior por medio de la energía térmica puede ser expresada por: Ejemplo Población N 2 =1000 iones E 32 = 800 cm -1 N 3 (300 K)= 18 iones N 3 (500 K)= 90 iones N 3 (700 K)= 180 iones N 3 (1000 K)= 300 iones

9 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura La técnica FIR (Fluorescence Intensity Ratio) Como la radiación emitida por una muestra se mide como una intensidad de corriente, dicha intensidad se puede expresar en función de los fótones de la siguiente manera: I= Intensidad N= Número de iones en un determinado estado de excitación h ѵ = energía del fotón asociado a la transición A= probabilidad de emisión espontánea = Branching ratio g= indica la degeneración del nivel (2j+1) Aunque también puede ser definida como

10 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura La técnica FIR (Fluorescence Intesity Ratio) Se compara las áreas de dos emisiones termalizadas

11 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura Sensibilidad a la Temperatura La sensibilidad es el valor que indica lo rápida que es la respuesta de un material a un cambio temperatura y se define como la derivada de la ratio de emisiones FIR Ecuaciones que rigen el comportamiento con la temperatura de los sensores

12 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio teórico de la sensibilidad con la temperatura La FIR permite determinar la temperatura máxima de trabajo de nuestro sensor La diferencia de energía E 32 LIMITA el intervalo de temperatura de mejor sensibilidad del sensor

13 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio teórico de la sensibilidad con la temperatura La FIR permite determinar la temperatura máxima de trabajo de nuestro sensor Independiendo del valor de la energía E 32, para muy bajas temperaturas esta técnica no sirve

14 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio teórico de la sensibilidad con la temperatura Sensibilidad máxima del sensor Limite máximo de Temperatura E 32

15 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura Estudio teórico de la sensibilidad con la temperatura En cristales, la separación energética de los niveles Stark es del orden de decenas de cm -1 Excelentes sensores para bajas temperaturas En vidrios, la separación energética de los niveles es del orden de centenares de cm -1 Excelentes sensores para altas temperaturas

16 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio teórico de la sensibilidad con la temperatura g 3,g 2 no depende de T El cociente A 3 /A 2 hace que aumente este factor y puede ser controlado ¿Cómo?

17 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL FUERZA DE OSCILADOR PROBABILIDAD DE EMISIÓN ESPONTÁNEA El conjunto de 3 parámetros de Judd-Ofelt ( 2, 4, 6 ) caracterizan las contribuciones dipolares eléctricas forzadas a probabilidades de absorción y emisión espontánea de fotones de un ion de tierra rara en una matriz determinada

18 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio teórico de la sensibilidad con la temperatura La Teoría de Judd-Ofelt responde a esa pregunta Erbio: Neodimio: Seleccionando una matriz con parámetros de Judd-Ofelt adecuados somos capaces de mejorar la sensibilidad

19 ¿Qué iones pueden ser empleados? ¿Qué iones pueden ser empleados? Transiciones estudiadas como sensor de temperatura Pr 3+ 3 P 1, 3 P 0 3 H 5, 1 G 4 Nd 3+ 4 F 3/2, 4 F 5/2 4 I 9/2 Sm 3+ 4 F 3/2, 4 G 5/2 6 H 5/2 Eu 3+ 5 D 0, 5 D 1 7 F 1 Ho 3+ 5 S 2, 5 F 4 5 I 8, 5 I 7 Er 3+ 2 H 11/2, 4 S 3/2 4 I 15/2, 4 I 13/2

20 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio de la sensibilidad con la temperatura Resumen: 1.Los cristales son buenos sensores para bajas temperaturas 2.Los vidrios ideales para sensores de alta temperatura 3.La correcta elección de un material con buenos coeficientes de Judd-Ofelt, hace que la sensibilidad aumente tanto para vidrios como cristales.

21 Resultados Experimentales con Iones Er 3+ Aumento de la sensibilidad debido a la matriz Las muestras estudiadas presenta la misma composión (en mol%) 40SiO 2, 25Al 2 O 3, 7NaF, 18Na 2 0, 9YF 3,1ErF 3, sin embargo, el cambio de entorno que se ha producido por tratamiento térmico sobre los iones Er 3+ y, por tanto, la variación de los coeficientes de Judd-Ofelt hace que su respuesta a la temperatura sea menor. VidrioVitrocerámico

22 Resultados Experimentales Aumento de la sensibilidad debido a la matriz

23 Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la ULL Estudio experimental de la sensibilidad con la temperatura ¿Afecta la concentración de iones ópticamente activos en la sensibilidad con la temperatura?

24 Resultados Experimentales Dependencia de la sensibilidad con la concentración A mayor concentración la ratio entre las áreas es menor

25 Resultados Experimentales Dependencia de la sensibilidad con la concentración de Er 3+ A menor concentración de dopante la sensibilidad aumenta y se ajusta mejor al valor teórico

26 Resultados Experimentales Mejor sensor de Temperatura: Vidrio CaO-Al 2 O 3 :Er mol% Combinando una matriz con parámetros de Judd-Ofelt altos y bajas concentraciones se pueden llegar a tener sensores de una alta sensibilidad

27 Conclusiones Ha sido posible obtener las ecuaciones que rigen el comportamiento con la temperatura, tanto para la luminiscencia como para la sensibilidad. Se ha visto que el valor de E 32 limita la temperatura máxima donde el sensor es viable. Para bajas temperatura, 10K, este tipo de sensores no sirven puesto que no se llegan a termalizar los niveles. Se ha comprobado que una elección correcta de los parámetros de Judd-Ofelt permite mejorar la sensibilidad Se ha comprobado que a menor concentración de dopante empleada la sensibilidad aumenta.

28 Muchas gracias por su atención

29 GSGG:Nd 3+ (Gd 3 Ga 3 Sc 2 O 12 ) Espectros de emisión correspondiente a la transición 4 F 3/2 4 I 9/2 y desplazamiento de las lineas R 1,R 2 Z 5 obtenido bajo presión para GSGG:Nd 3+ R 2 Z cm -1 /Kbar R 1 Z cm -1 /Kbar Sensores Ópticos de Presión y Temperatura

30 FIR y Sensibilidad en función de la Presión Independiente de la Presión Dependiente de la Presión

31 Sensores Ópticos de Presión y Temperatura FIR y Sensibilidad en función de la Presión E 3 = R 1 Z 5 = 10740cm -1 E 2 = R 2 Z 5 = 10680cm -1 ΔE 32 = 60cm -1 (P=0) E 3 (P) = R 1 Z 5 = cm -1 /Kbar E 2 (P) = R 2 Z 5 = cm -1 /Kbar ΔE 32 (P)=E 3 (P) – E 2 (P)=( )+ +( )cm -1 /Kbar ΔE 32 =60cm cm -1 /Kbar

32 Sensores Ópticos de Presión y Temperatura PRESIÓN A medida que la presión aumenta, la separación energética E 32 cambia haciendo al sensor más sensible

33 Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores Ópticos de Presión y Temperatura

34 Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores Ópticos de Presión y Temperatura

35 Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores Ópticos de Presión y Temperatura

36 Conclusiones Ha sido posible obtener las ecuaciones que rigen el comportamiento con la temperatura, tanto para la luminiscencia como para la sensibilidad. Se ha comprobado que el aumento en la concentración provoca una disminución en la sensibilidad, y por otra parte, la elección de una matriz con unos correctos coeficientes de Judd-Ofelt, según el dopante empleado, permite del mismo modo mejorar la concentración. Se ha comprobado que los cristales garnet, estudiados en un principio, como candidatos a sensores de presión permiten su uso simultaneo como sensores de temperatura. Obteniendose, por tanto, sensores P-T. Se propone una ecuación para los sensores P-T.

37 Muchas gracias por su atención


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