SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM

SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM Természettudományi és Informatikai Kar

Szervetlen kémiai és Analitikai Tanszék

SZAKDOLGOZAT

Spektroszkópiai kísérleti rendszer építése szikrakisülési plazma nanorészecske generátor jellemzőinek monitorozására

Juhász Zoltán Balázs Kémia BSc szak

Témavezetők:

Dr. Galbács Gábor egyetemi docens Dr. Geretovszky Zsolt egyetemi adjunktus

Szeged 2015

Tartalomjegyzék

1. Bevezetés .......................................................................................................................2 2. Irodalmi áttekintés ......................................................................................................3 2.1. A nanotechnológia .................................................................................................3 2.2. Szikrakisülési plazma generátorok ........................................................................ 5 2.3. A Buonapart-e projekt ...........................................................................................7 2.4. A mérésadatgyűjtés eszközei .................................................................................8 2.4.1. Programozott adatgyűjtés és adatkiértékelés ............................................... 10 2.4.2. Elektromos adatok gyűjtése oszcilloszkópokkal..........................................12 2.4.3. Fényjelek gyűjtése fotodiódával ..................................................................14 2.4.4. Spektrumok gyűjtése CCD spektrométerekkel ............................................15 3. Célkitűzések ...............................................................................................................16 4. Kísérleti rész...............................................................................................................17 4.1. A megépített kísérleti rendszer és részegységei ..................................................17 4.1.1. A száloptikás multiplexer.............................................................................18 4.1.2. Az optotrigger egység ..................................................................................19 4.1.3. Az USB oszcilloszkóp .................................................................................21 4.1.4. A CCD spektrométer .................................................................................... 21 4.1.5. A vezérlő miniszámítógép ...........................................................................22 4.2. A mérési adatok és kiértékelésük......................................................................... 24 4.2.1. NI LabView adatgyűjtés és vezérlés ............................................................ 24 4.2.2. A spektrométerrel gyűjtött adatok és információ tartalmuk ........................ 26 4.2.3. A fotodiódával gyűjtött adatok és információ tartalmuk ............................. 28 4.2.4. A teljes rendszer tesztelése...........................................................................29 5. Összefoglalás ..............................................................................................................35 6. Nyilatkozat .................................................................................................................36 7. Köszönetnyilvánítás ...................................................................................................37 8. Irodalomjegyzék ........................................................................................................38

1

1. Bevezetés A nanostrukturált anyagok előállítása egyre fontosabb ipari és kutatási területté vált az elmúlt évtizedekben. Az előállítás kifejlesztett módszerei között kémiai és fizikai eljárások egyaránt előfordulnak. Az utóbbi években a fizikai szintézis eljárások népszerűsége növekszik, elsősorban annak köszönhetően, hogy ezekkel az eljárásokkal kevesebb vegyi hulladékkal, gyorsan és tisztán lehet nanorészecskéket előállítani. A fizikai szintézis eljárások közé tartozik többek között a szikrakisülési plazma is, amely két fémelektród között létrehozott nagyfeszültségű elektromos kisüléssel állít elő nanorészecskéket az elektródok anyagának eróziója révén, gáz fázisban. A szikrakisülési plazma generátorok fejlesztésével, jellemzésével és alkalmazásával a jelen szakdolgozat témavezetői is foglalkoznak, mégpedig egy nemzetközi kutatási projekt szereplőiként. Ennek a projektnek (EU FP7, Buonapart-e) a célja éppen az elektromos kisülésekkel kivitelezett nanoszintézis ipari léptékű megvalósításának előkészítése. Szakdolgozatom elkészítése során ebbe a kutatási projektbe kapcsolódtam be. Közvetlen feladatom egy olyan, spektroszkópiai adatgyűjtésen alapuló adatgyűjtő kísérleti rendszer megépítésében és tesztelésében való közreműködés volt, amely a szikrakisülési plazma generátorok működését monitorozza.

Kulcsszavak: nanorészecskék, szikrakisülési plazma generátor,monitorozás,fotodióda

2

2. Irodalmi áttekintés

2.1. A nanotechnológia Az anyagtudomány fejlődése miatt fontos technológiai kihívás lett az olyan anyagi struktúrákra vonatkozó fizikai és kémiai műveletek kifejlesztése, amelyekkel a részecskék keletkezését és növekedését pontosan kontrollálni tudjuk. Emiatt a kilencvenes évektől a nanométeres skálán végezett kutatások előtérbe kerültek. A nanoszerkezetű anyagok a kémiai anyagok olyan egységei, amelynek dimenziói az egy nanométertől (egy nanométer= 10-9 m) az 50-100 nm tartományig terjednek, akár mind a három dimenzióban. Kis méretükből következik, hogy a morfológiából adódóan a felület/térfogat aránya jelentősen megnövekszik, következésképpen növekszik az élek, sarkok és hajlatok száma. Ez a felületi energia megváltozásához, nevezetesen a felületi atomok koordinációjának csökkenésével, a szabad vegyértékek számának növekedéséhez vezet, és így a nanorészecskék reakcióképessége is megváltozik.A rendszer metasatbilis, a hordozók felületnén a részecskék viszonylag könnyen vándorolnak, ami a részecskék összenövéséhez vezet, ezáltal a méretnövekedés következik be. Ezért nagyon fontos a részecskék stabilitásának fenntartása. A nanoszerkezetű anyagok fajtái: konszolidált nanoanyagok, a nanofélvezetők, nanopolimerek, nanobioanyagok, fullerének és csöves nanostruktúrák, katalizátorok, nanoporózus anyagok és szupramolekuláris struktúra. Vannak nanokristályos anyagok is, és 2000-es évek felfedezettje a grafén. Ezért a felfedezésért 2010-ben Nobel díjat kaptak Andre Greim és Konsztantyin Novoszjolov, mivel a grafén egyedülálló tulajdonságokkal bír az új nanoanyagok osztályában. A nanorészecskék osztálya összetevődik fém és félvezető nanorészecskékből és fémoxidok nanorészecskéiből. Alakjuk közel gömszerű, aminek termodinamikai okai vannak: a felületi energia ugyanis ekkor minimális. Deformált gömb alakú nanorészecske esetében, az eltérést gyakran a heterogén kémiai összetételben kereshetjük. Számos fizikai és kémiai módszert kifejlesztettek a nanoszerkezetű anyagok előállítására. Az egyik ilyen kémiai módszer a heterogén katalízis, amit már nagyon régóta használnak.

3

A módszer lényege, hogy egy hordozó felületén diszpergálnak rendszerint nemesfémet, amely kis méretének köszönhetően nagy felületet biztosít a katalitikus folyamatok számára. A részecskeméret csökkenésével a felületen található atomok közvetlen szomszédainak száma egyre csökken, hiszen egyre nagyobb lesz a sarok- és élatomok hányada. A részecske rövid távú rendezettsége és a telítetlen koordinációs terű fém atomok szabad vegyértékei speciális fizikai és kémiai sajátságok megjelenéséhez vezetnek, melyek általában a fémes jelleg megszűnésének határán, az 1-2 nm-es tartományban fokozottabban észlelhetők [1]. Egy másik kevesbé ismert kémiai előállítás a szonokémiai eljárás. Az eljárás alapja az

akusztikus

kavitáció

jelensége,

azaz

ultrahangos

besugárzással

létrehozott

buborékképződés, növekedés és szétrobbanás. A folyadékfázis ultrahanggal történő besugárzása során számos mikrobuborék keletkezik. Egy bizonyos frekvencia alatt ezek a buborékok a kavitáció jelensége nélkül szűnnek meg, azonban egy küszöbfrekvencia felett a buborékok nőni kezdenek, és térfogatnövekedés következtében a buborékokben a nyomás egyre csökken. Az egyre kisebb nyomás miatt a buborékokba egyre több oldószer és oldott anyag molekula párolog be. Az így keletkezett buborékok össze is olvadhatnak, azonban elérve egy kritikus (rezonancia) méretet robbanásszerűen szétpattanak, és az egész folyamat kezdődik előlről. Az összeroppanás pillanatában, a gőztérben lévő molekulák több ezer Kelvin hőmérsékletet és több ezer atomszféra nyomást is érzékelhetnek, ami számos fizikai és kémiai folyamatot indukálhat [2]. A kémiai előállítási módok mellett számos fizikai módszer is született a nanorészecskék előállítására. Számos módszer közé tartozik a szilárd anyagok elpárologtatása és telített gőz előállítása, amelyben a kondenzációnak köszönhetően jönnek létre nanorészecskék. Ezekben a módszerekben a részecske mérete kontrollálható a gőzforrás

be-

és

kikapcsolásával

vagy

az

atomok

aggregációjának

sebesség

csökkentésével, ha a gőzhöz neutrális gázotomokat adunk. A neutrális gázatomok ütköznek a fém forró atomjaival és lehűtik őket. Az utóbbi évtizedben számos új módszer lett kidolgozva a nanorészecskék és nano anyagok tanulmányozására.Az előállításukra szolgáló módszerek a következőek lehetnek: ív és szikra kisülés, ionszóródás, lézeres abláció, lézeres pirolízis, lézeres nanorészecske generáció molekulanyalábbal, plazma módszerek, kondenzálódás nemesgáz környezetben.

4

2.2. Szikrakisülési plazma generátorok Az általunk használt módszer a nanorészecskék előállítására a szikrakisülés. A szikrakisülés lejátszódása során az elektródokra kapcsolt nagyfeszültség (kV) hatására az elektródközben egy rövid élettartamú vezetési csatorna jön létre, melyben folyó áram az elektród illetve gázatmoszféra anyagát plazmává alakítja. A létrejövő plazma nagyon magas hőmérsékletű (8000-15000 K), melynek hatására az elektróda anyaga elpárolog, majd a lehűlés során létrejönnek a fém nanorészecskék. Megfelelő fém elektródok használatával bizonyos fémoxid, -karbid és -nitrid nanorészecskék is előállíthatók. Az előállításhoz használt eszköz neve: szikrakisülési plazma generátor. A szikrakisülési plazma nanorészecske generátor (Spark Discharge Generator, SDG) egy egyszerű és sokoldalú eszköz fém és félvezető nanorészecskék gáz környezetben történő előállítására. Az SDG elektromos szempontból egy egyszerű, bipoláris kondenzátortöltő áramkör, ahol a szikraköz a kondenzátorral párhuzamosan van kötve. A kondenzátort folyamatosan tölti egy nagyfeszültségű tápegység. Amikor a kondenzátor feszültsége eléri a gáz „átütési szilárdságának” megfelelő értéket (breakdown voltage), amit főképpen az elektródköz mérete, a környező gáz, az elektród anyaga és kialakítása befolyásol, akkor létrejön az elektromos szikrakisülés az elektródok között. Ez a kondenzátorban töltések gyors áramlását indítja meg a kisülésen keresztül a két elektród között.

1. ábra. Egy jellegzetes, egyszerű SDG kísérleti elrendezés

5

A szikrakisülés egy bipoláris, oszcilláló típusú elektromos kisülés, ahol csillapodás és az időtartam függ az áramkör kapacitásától, ellenállásától és az induktivitásától. A kisülés során az áram iránya alternáló módon gyakran megváltozik (az oszcilláció tipikusan a MHz tartományba esik). A szikrakisülés élettartama rövid, jellemzően 5-20 µs. Amint a soros RLC áramkör teljesen kisült, a kondenzátor újratöltését megkezdi a tápegység. Ez azt eredményezi, hogy a szikrakisülési frekvenciáját kontrollálni lehet, legegyszerűbben a töltőfeszültséggel vagy a töltőáramerőséggel (feltételezve, hogy az összes többi tényező állandó értéken marad).[ 3, ]

2. ábra. Az általunk használt kísérleti SDG kamra képe (nyitott állapotban)

3. ábra. Egy SDG-ben keltett szikrakisülés jellemző elektromos hullámformái

A 3. ábrán látható, hogyan alakulnak általában az elektromos jelek (áramerősség és feszültség) az idő függvényében egy szikrakisülésben. A hullámformákat a saját kísérleti rendszerünkben vettük fel, hegyezett, egymástól 2 mm távolságra beállított Cu elektródokkal, nitrogéngázban. 6

Ahogy az ábrán is látható, a feszültség kb. 8 kV értékről, míg az áramerősség kb. 1000 A értékről indul és exponenciálisan csökkenő amplitúdóval gyorsan oszcillál. Az áram és a feszültség között fáziskésés van.

2.3. A Buonapart-e projekt A Buonapart-e elnevezés egy, az Európai Unió (Framework programme 7) által támogatott, összesen 21 nemzetközi kutatóintézmény és cég együttműködésében megvalósuló kutatási projektet azonosít, amelynek a célja nagy termelékenységű, flexibilis, gazdaságos és környezetbarát nanorészecske szintézist megvalósítani [5]. A projekt elektromos kisülésekkel, közelebbről elektromos ív- és szikrakisüléssel igyekszik a kitűzött célt elérni. A konzorciumban megtalálható kutatóintézetek az alapkutatásokat végzik, a cégek pedig (pl. textilipari cégek, napelemgyártó cégek, acélipari cégek, stb.) erőforrásokat biztosítanak a kutatásokhoz és igényeket fogalmaznak meg az előállítandó nanorészecskék jellemzőire nézve, hogy azokat a gyártási folyamataikba be tudják majd illeszteni. A projekt alapkoncepciója az, hogy természettudományos kutatás és optimált mérnöki megoldások alkalmazása révén először megkeresi a kondíciókat, amelyek mellett a lehető legnagyobb, stabil kihozatalt lehet elérni egyetlen elektródpárral (egyetlen kisülési kamrában), majd ebből az egységből többet épít össze párhuzamosan. Így a termelés felskálázását várhatóan el lehet érni anélkül, hogy a kisülési kamra méreteit (geometriáját) kellene megnagyobbítani, ami újbói optimálást igényelne minden skálázási lépésben. A kisülési kamra geometriai kialakítása a projekt elején kialakult (OSU, Optimal single unit); ez lényegében egy olyan gáztömör, vákuumtechnikai alkatrészekből kialkított kamra, amely kellő orientációban és számban kínál hozzáférést (portok) az anyagbetáplálás, elektromos csatlakozások és optikai megfigyelés számára (6 db KF-40 port és 2 db DIN160 port). Az OSU felépítését a 4. ábra illusztrálja.

7

4. ábra. A projekt keretein belül épített SDG kamra

A kamra atmoszférikus nyomáson, inert gázban (pl. nitrogén, argon) működik. A szikrakisüléshez nagyfeszültségű (1-15 kV), míg az ívkisüléshez nagyáramú (több tíz A) tápegységet alkalmaznak. Az elektródok fémből vagy fémötvözetből készülnek és mozgató szerkezetek segítségével pontos pozicionálásuk lehetséges [4]. Az SZTE-ről a jelen munka témavezetői (Dr. Galbács Gábor és Dr. Geretovszky Zsolt) és kutatócsoportjaik vesznek részt a Buonapart-e projekt megvalósításában. Az SZTE kutatóinak elsősorban plazmadiagnosztikai célú elektromos és spektroszkópiai mérések a feladatuk, de részt vesznek az előállított részecskék jellemzésével és az elektródokon bekövetkező változásokkal foglalkozó kutatásokban is. A jelen szakdolgozat ahhoz a részfeladathoz kapcsolódik, amiben egy olyan számítógépvezérelt, kompakt optoelektronikai eszköz kifejlesztése a cél, amely szikrakisülési nanorészecske generátorok működésének monitorozását végzi majd el. Erre üzemi alkalmazások esetén nagy szükség lesz, hiszen ipari körülmények között a "gyártósorok" folyamatos, hibamentes működtetése elsődleges.

2.4. A mérésadatgyűjtés eszközei A mérés alapvető célja tárgyak, jelenségek, lejátszódó folyamatok megismerése. A mérési adatok a mérnöki gyakorlatban gyakran idő szerint rendezve jelennek meg. Bár az időbeli sorrendnek természetesen általában nagy jelentősége van, azonban sok esetben célszerű ezeket az adatokat más szempontok szerint is csoportosítani, illetve összevonni, és további, de kevesebb számú mennyiségekkel jellemezni az átláthatóbb kezelés érdekében

8

A mérőrendszerekben analóg és digitális jelek feldolgozása és továbbítása történik. A mérendő jellemzők értéke általában folytonosan változik.

Amíg pl. a nyomás a

gáztartályban 3 bar-ról 1 bar-ra változik, közben felveszi az 2,5 és az 1,879 bar stb. nyomás értékeket is. Az ilyen jellemzőt analóg jellemzőnek, a változását leíró jelet mint időfüggvényt, analóg jelnek nevezzük. Ezzel szemben a digitális jel kvantált, tehát - ha pl. a kvantum 0,5 bar - csak diszkrét értékei, esetünkben 3-2,5-2-1,5-1 bar értékei különböztethetők meg. Ha a kvantum kicsi, a pontosság igen nagy lehet. A mérés- és műszertechnikán belül külön terület az üzemi méréstechnika, amely az automatizált gyártási technológiák térhódításával párhuzamosan fejlődött. Az üzemi távadó méréseknél a mérendő jellemzővel arányos villamos jelet küldik egy távoli feldolgozó kijelző, regisztráló, vagy folyamatot szabályozó egységbe. Az ipari folyamatoknál nemcsak az adatok feldolgozására, hanem sokkal bonyolultabb automatikus szabályozási és vezérlési feladatok elvégezésre is szükség van. A szabályozási és vezérlési funkciók megvalósítása történhet mechanikus, pneumatikus, villamos és elektronikus úton, illetve ezek kombinációjával. Műszaki rendszerekben az információk mérések, kapcsoló jellegű (bináris) jelzések és utasítások révén juthatnak a döntést kidolgozó és a végrehajtást végző szervbe. A mérő-átalakítók feladata a mérési adattal lehetőleg arányos nagyságú villamos áram, feszültség, frekvencia, vagy digitális jel előállítása. A digitális jelek kiértékelése azóta tartozik az egyszerű feladatok közé, amióta elterjedtek a mikroprocesszoros technikák és a számítógépek. A digitális jelfeldolgozási eljárások főbb csoportjai: a kommunikáció, a tárolás és a jelanalízis. A jelanalízis csoportba tartozik például a határérték, vagy trendfigyelés, és szűrés; bonyolultabb esetekben a spektrum analízis és korrelációszámítás A számítógéppel vezérelt mérőrendszer alapfunkciója, hogy egy fizikai/kémiai mennyiséget fogadjon, azt a számítógép által használható formára (bináris) alakítsa, szükség szerint archiválja, esetleg továbbítsa. Az érzékelő egy fizikai vagy kémiai mennyiséget érzékel és azt valamilyen ismert törvényszerűség szerint átalakítja az adatgyűjtés számára alkalmas, általában feszültségjel formára. Egyes érzékelőknek külső energiaforrásra is szükségük lehet a működésükhöz. Bizonyos érzékelők az érzékelésen túl a mérőkör elektromos leválasztását is megoldják. Ez különösen a villamos mennyiségek mérésénél lehet lényeges, mert ha például egy esetleges meghibásodás miatt túl nagy feszültség vagy áramerősség jelenne meg az érzékelő bemenetén, akkor védelem nélkül a mérőrendszer meghibásodhat [5].

9

Napjainkban a digitális jelek feldolgozást számítógépek végzik, a jelek begyűjtését pedig különböző mérőműszerek. A számítógépes irányítás és adatfeldolgozás történhet virtuális műszerek létrehozásával , és számítógépes környezetben történő adatelemzéssel. Az egyik ilyen megoldás a National Instruments (USA) által gyártott LabView nevű program lehet.

2.4.1. Programozott adatgyűjtés és adatkiértékelés

A National Instruments (NI) cég piacvezető a mérés és mérésautomatizálás terén. Termékeit világszerte vásárolják ipari felhasználások, alkalmazások céljából. A szervezet a csúcstechnológiájú termékfejlesztés egyik kiemelkedő képviselője. Fejlődése során a vállalat vezetőszállítójává vált a számítógép műszerezésű hardver és szoftver termékeknek, amelyeket mérnökök, kutatók, fejlesztők alkalmaznak szerte a világon az ipari mérés és automatizálás, illetve az oktatás és kutatás területén [6]. A cég hardver termékeire jellemző, hogy kis darabszámban kerülnek gyártásra, ami a modern technikának és a rugalmas gépi átállásnak köszönhető, ezzel hozzájárulnak a legkülönfélébb vevői igények gyors kiszolgálásához. A hardver termékek gyártása mellett közel 30 különböző szoftvertermék-család gyártásával is foglakozik a cég, ezek közül a legismertebb a LabView, amely a National Instruments legfőbb szoftverterméke. Ez a szoftver egy moduláris felépítésű grafikus fejlesztő környezet, mellyel a felhasználó adatelemzéseket, méréseket, vezérlést végző alkalmazásokat fejleszthet, valamint virtuális műszereket hozhat létre. A grafikus programozás egy látványos, látszólag könnyen követhető programozási módot jelent, főleg azoknak, akik a hagyományos programm nyelveket nem ismerik. Ebben van némi igazság, azonban a programozás alapvető jellemzői (ciklusok, változók megadása ) nagymértékben a C programozási nyelvhez hasonlít. A LabView program olyan programozási környezetet teremt, amely az egyes felismert (telepített) hardver elemeket (pl. feszültségmérő, árammérő, áramgenerátor, relé, stb.) illetve az egyes adatkiértékelő műveleteket is grafikus objektumként jeleníti meg, majd ezek összekötésével (pl. a kimeneteket a bemenetekkel összekötve), ciklusokba foglalással (amit egy keret szimbolizál; minden, ami ezen a kereten belül helyezkedik el, ciklikusan ismétlődik, stb.) definiáljuk a programnak, hogy mit csináljon a gyűjtött adatokkal, milyen kimenetre milyen értékeket küldjön ki, stb. 10

Alapvetően két ablakot használunk: a felhasználói felület ablakát („Front panel”) és a grafikus program ablakát („Block diagram”). A front panel (5. ábra) lényegében azt a grafikus képernyőt jeleníti meg, amelyet a felhasználó a program futtatás közben lát; értelemszerűen itt vannak elhelyezve a programot vezérlő kezelőszervek, nyomógombok, kapcsolók (pl. mentés fáljba, mérés leállítása, mérés elinditása stb.), érték megadó mezők (pl. csatornák számának megadása, mintavételi idő beállítása és változtatása, stb.) a különböző kijelzők, grafikonok, menük, stb.

5. ábra. Egy NI LabView front panel

A block diagram (6. ábra) látható maga a program. A szöveges forrásnyelvű programokkal ellentétben, itt grafikus jelekkel meghatározott műveletek, függvények, sorakoznak, a köztük lévő vezetékezésnek megfelelően [7].

11

6. ábra. Egy LabView Block diagram

A mérésünkhöz szükséges logikai műveleteket, és függvényeket ezen program segítségével készítettük el, mert egyszerűen megtanulható a programkörnyezet, és sok általunk használt mérőeszközhöz a gyártó biztosít Labview közegben futtatható vi-okat (program modulok). Mivel a rendszer virtuális műszerezésre szolgál, ezért az elkészült forrásprogramok „vi” (virtual instrument) kiterjesztést kapnak A különböző műszerek moduljait be tudjuk illeszteni az általunk készítetthez, és esetleges fejlesztéseket és módosításokat is végre tudunk hajtani. A másik szempont, a felhasználóbarát környezet, amely lehetőséget biztosít az egyszerű kezelésre, nagymértékű testreszabásra és az analizáló doboz minden műszerének beállítására és működésének monitorozására. 2.4.2. Elektromos adatok gyűjtése oszcilloszkópokkal

Az oszcilloszkóp a méréstechnika leggyakrabban és legsokoldalúbban használható eszköze. Közvetlenül feszültség-idő adatokat, hullámformákat jelenít meg a képernyőjén. Ez a megjelenítő képesség az, ami lényegesen több információ megszerzését teszi lehetővé.

12

A leggyakrabban mért mennyiségek: az egyen- vagy váltófeszültség, az egyenvagy

váltóáram,

periódusidő,

fáziskülönbség,

frekvencia,

jelleggörbék

és

az

impulzusjellemzők. Az analóg oszcilloszkópnál a jelalakok felrajzolását elektronsugár végzi. Fő része az elektronsugárcső, melynek ernyőjét belülről borító fényporréteg (fluoreszkáló anyag) a kellő energiával becsapódó elektronsugár hatására fényt bocsájt ki. Az elektronsugár vízszintes és függőleges irányú eltérítésével jelalak jeleníthető meg. A megjelenítendő ábra rövid után világítás után eltűnik, ezért a jelalak újra rajzolása szükséges. Az állóképhez folyamatos, periodikusan ismétlődő rajzolást kell végezni, ezért a vízszintes és függőleges irányú eltérítést periódikusan ismétlődő jelek végzik [8]. Az analóg oszcilloszkópon mellett napjainkba elterjed a digitális oszcilloszkópok használata is. Az analóg oszcilloszkópok elsősorban periodikus jelek megjelenítésére alkalmasak, tehát nem teszik lehetővé a nem periodikusan ismétlődő vagy csak egyszeri alkalommal bekövetkező jelváltozások megjelenítését. A digitális tárolás azonban lehetővé teszi ezt, és ezen kívül számos előnyös tulajdonsággal is rendelkezik. A jel digitális kód formájában kerül tárolásra az oszcilloszkópban. A jel belépve a készülékbe, a szokásos jel kondicionáláson megy keresztül, majd egy ADC fokozatba jut. A digitális jelek a készülék digitális memóriájába kerülnek. A mintavételezési ráta értéke általában 20-200 megaminta/másodperc között mozog. A digitális memóriában eltárolt adatokat az eredeti jelalak képernyőn történő megjelenítéséhez analóg jellé kell vissza alakítani egy DAC áramkörrel. Tehát az ernyőn látható kép, az eredeti jelről eltárolt minták alapján készült rekonstrukció, nem pedig a bemeneti csatlakozóról érkező jel folytonos ábrázolása.

7. ábra. Egy korszerű digitális oszcilloszkóp

A digitális méréstechnika fejlődésével, olcsóbbá válásával, sebességének nagymértékű növekedésével mára elérhetővé váltak olyan kompakt, olcsó, ún. USB oszcilloszkópok is, amelyek egyszerűen kezelhető, de sokoldalú mérésadatgyűjtő 13

eszközökként minden számítógép USB portjára csatlakoztathatók. Ma már ezek az eszközök is 2-4 csatornával, és akár többszáz MHz mintavételi frekvenciával rendelkeznek. 2.4.3. Fényjelek gyűjtése fotodiódával A fotodiódák (PD) elektromos szempontból megfelelnek szokásos a félvezető diódáknak, csak a p-n átmenetet (két, egymással szoros konstaktusba hozott p illetve n típusú félvezető réteg) olyan tokozásban helyezik el, ami a fénnyel való megvilágítást lehetővé teszi. Általában záró irányban kötik be; ilyen üzemmódban a fotodiódán megvilágítás nélkül nem folyik át áram (vagy csak nA nagyságrendű). Megvilágítás hatására azonban, ha a fotonok energiája kellően nagy (hullámhosszúságuk kellően rövid), a határrétegben lyuk-elektron párok keletkeznek, amelyek áthaladása áramlökést hoz létre az áramkörben. Ha a dióda kimenetére terhelő ellenállást kapcsolunk, akkor ez az áramlökés feszültséggé alakítható és megfelelő kiolvasó áramkörrel megmérhető. A fotodiódára eső fény intenzitása az időegység alatt beérkező fotonok számát határozza meg; ez a fotodióda kimenetén megjelenő áramerősség (illetve feszültségjel) nagyságát befolyásolja. A fotodiódával tehát fényintenzitást lehet mérni. A fotodiódák legtöbbször germániumból vagy szilíciumból készülnek. A szilíciumból készült fotodiódák 0,3-1 μm között, a germánium fotodiódák 0,5-1,7 μm hullámhossz tartományban érzékenyek. A látható fény körüli tartományban leginkább a szilícium fotodiódák alkalmazása terjedt el. [9]. Az egyszerű átmenetes fotodiódának egy gyors működésű társát is kifejlesztették, a PIN fotodiódát. A PIN fotodiódában a p és n réteg nem kapcsolódik közvetlenül egymáshoz, hanem közöttük egy nagytisztaságú réteg (intrinsic félvezető, I) van elhelyezve, amelynek nagy a kvantumhatékonysága. A lyuk-elektron pár képződése a közbülső, kiürített (depletion layer). részén valósul meg a p-n átmenetnek, ezért a vastag I réteg beiktatása a fotodióda érzékenységének javulását okozza. Korszerű PIN diódával 10– 30 GHz-es frekvenciájú fénymoduláció is követhető.

14

2.4.4. Spektrumok gyűjtése CCD spektrométerekkel A félvezető fotodetektorok olcsóbbá válása lehetővé tette olyan spektrométerek kialakítását, amelyek nem tartalmaznak mozgó alkatrészt és kis méretűek. A szokásos monokromátoros elrendezésben a kilépő rés helyére egy lineáris fotodetektort (pl. fotodióda sort vagy CCD detektort) helyeznek el, ezáltal a diszperzív elem által felbontott fény különböző hullámhosszúságú komponensei egy-egy fotodetektor pixelre vetülnek. Jellemzően 1024 vagy 2048 (esetleg több) elemből (pixelből) álló sor érzékeli a fényt. Ezek a spektrométerek gyorsak, hiszen mozgó alkatrész (pásztázás) nélkül, párhuzamosan rögzítik a spektrumot. A fény betáplálása leggyakrabban száloptikával történik. A felbontás és érzékenység ezeknél a spektrométereknél kompromisszum eredménye. A felbontást egyfelől minden spektrométernél a fókuszhossz, végülis a spektrométer mérete határozza meg alapvetően; így a kompakt méret (7-10 cm) csak korlátozott

optikai

felbontást

tesz

lehetővé

(0,1-0,01 nm).

A

felbontást

CCD

spektrométereknél ugyanakkor az is befolyásolja, hogy milyen közel vannak egymáshoz a fotodetektor pixelek; minél közelebb vannak egymáshoz, vagyis minél kisebbek, annál közelebb eső hullámhosszúságú komponensek lesznek megkülönböztethetők. A pixelek mérete ugyanakkor az érzékenységet is befolyásolja, vagyis egy nagy felbontású CCD spektrométer kis méretben nem tud kiemelkedő érzéknységű lenni [10]. Az alábbi kép egy száloptikás CCD spektrométer (Avantes) általános belső felépítését és részegységeit mutatja. A kimenő adatok USB csatolón keresztül jutnak a számítógépben.

8. ábra. Egy száloptikás spektrométer belső felépítése (Avantes Ultra Low Stray light, vagyis ultra alacsony szórt fényű optikai elrendezés)

15

3. Célkitűzések A munka célja egy olyan kísérleti rendszer megépítése és tesztelése volt, amely segítségével a szikrakisülési plazma nanorészecske generátorok működése követhető. Egy olyan kompakt rendszert terveztünk megvalósítani, amely csak a generátorok szikrakisülési plazmájának fényemisszióját figyeli (elektromos jeleket közvetlenül nem gyűjt) és ezen adatok felhasználásával, kiértékelésével képes előre beállított tűréshatárok között "megfelelő működés" vagy "hibás működés" jellegű állapot információt szolgáltatni. Ennek megfelelően egy számítógép vezérelt, fényjelek fotodiódás illetve spektrométeres követésére alkalmas kísérleti rendszerre volt szükség, amely robusztussága miatt ipari környezetben is működni képes. Ezen utóbbi feltétel miatt száloptikás rendszert építettünk.

16

4. Kísérleti rész 4.1. A megépített kísérleti rendszer és részegységei A munkám során, egy olyan optoelektronikai és spektroszkópiai eszköz elkészítésében vettem részt, amely az SDG generátorban létrejövő szikrakisülés monitorozására szolgál. A kísérleti rendszer alapkoncepciója az volt, hogy csak optikai jelek feldolgozását végezzük, ez ugyanis száloptikán keresztül nagy távolságból, zavarmentesen is elvégezhető, ráadásul a száloptikák váltogatásával több SDG generátor monitorozása is könnyen megoldható. A közreműködésemmel elkészült kísérleti rendszer felépítésének vázlatát az alábbi ábra mutatja be.

9. ábra. A megépített optoeletronikai és spektroszkópiai eszköz sematikus rajza

A rendszer működési elve a következő: a generátoroktól egy-egy száloptika érkezik a rendszerbe, amelyek egy száloptikás multiplexerhez (MUX). A generátorok oldalán egyegy KF-40-es portra felszerelt, finompozicionálható fénygyűjtő optika csatolja be a multimódusú száloptikákba a szikrakisülés fényét. A multiplexer vezérlésével a száloptikák ciklikusan váltogatva kapcsolódnak rá a rendszerre, így több SDG is kezelhető. Ebben a kísérleti rendszerben 4 csatornát építettünk ki, tehát 4 SDG monitorzása végezhető szekvenciálisan. A multiplexer közös kimenetén a a fény, némi gyengülést elszenvedve, egy Y alakú optikai szálba jut. Ennek egyik vége az optotrigger (OT) dobozba fut be, a másik vége pedig a száloptikás CCD spektrométerbe (SP). Az optotrigger doboz egy gyors fotodiódát tartalmaz, és bár több funkcióval is rendelkezik, de legfontosabb feladata, hogy 17

triggerjelet szolgáltasson a spektrométer számára, ezzel lehetővé téve a szikrakisüléssel pontosan szinkronizált spektrális adatgyűjtést. A spektrométer felé tartó optikai szál jelentősen hosszabb (több tíz méterrel) a másik ágnál, ugyanis a fény optikai késleltetésére van szükség, hogy a fény csak akkor érjen a spektrométerhez, amikor az már készen áll a fény fogadására. A késleltetésnek elegendő hosszú ideig kell tartania ahhoz, hogy az optotrigger egység elektronikája feldolgozza a fényjelet és az inditójelet képezhesse; ezen kívül a spektrométernek is el kell indulnia (wake up time delay). Az OT egység egyik kimenetén kiadja a fotodióda időfüggő jelét is, amiből egy miniatür, gyors (USB) oszcilloszkóp segítségével lesz olyan elektromos jel, amit a vezérlő és adatgyűjtő számítógép fel tud dolgozni. A spektrométer szintén USB kapcsolaton keresztül továbbítja az adatokat a számítógépbe. A központi számítógép egy speciális, ipari célokra készült, miniatűr komplett számítógép, ami programozható digitális ki/bemeneti csatornákkal is rendelkezik. Ezeket most arra használjuk, hogy a rendszer a külvilággal kommunikáljon, pl. LED fénnyel jelezze az egyes csatornák állapotát, kívülről RESET jelet adhassunk neki, stb. A rendszer kifelé egy száloptikás USB kábelen keresztül is tud külső számítógépekkel kommunikálni. A teljes rendszer egy zárt, fém készülékházban foglal helyet, ami biztosítja, hogy a sugárzott elektromágneses interferencia, ami az SDG generátorok közelében igen erős (a kisfeszültségű elektromos berendezések) ne zavarhassa meg a rendszer működését. A zárt készülékházban az elektromos részegységek hamar túlmelegednének, ezért a készülékház az elektromosan elszigetelés fenntartása mellett vízhűtéssel is rendelkezik. A tápellátást egy szünetmentes, akkumulátoros tápegység végzi

4.1.1. A száloptikás multiplexer A multiplexer feladata az, hogy a több bemenetére érkező jelből egyet vezessen a kimenetére. A kísérleti rendszerünk számára egy, a feladatra szabott, négycsatornás multiplexert gyártattunk a Leoni céggel. Ezzel kapcsolatban fő elvárások voltak a következők: a.) UV és Vis tartományban használható, minél kisebb optikai transzmissziós veszteséggel, b.) minél rövidebb átállási idő a csatornák között (tized másodperc), c.) kis méret, d.) kis elektromos fogyasztás, e.) számítógéppel való vezérelhetőség. A használt multiplexer blokk diagramját és főbb paramétereit az alábbi ábra, illetve táblázat mutatják. 18

10. ábra. A kísérleti rendszerünkben használt, Leoni száloptikás multiplexer blokk diagramja

Működési hullámhossz tartomány:

UV - Vis

Csatornaváltási idő:

2 ms

Minimális csatolási veszteség:

2.5 dB

Transzmissziós veszteség:

≤ 40 dB

Csatornaváltási frekvencia:

≤ 50 Hz

Ismételhetőség:

0,01 dB

Működési tápfeszültség:

5 V DC

4.1.2. Az optotrigger egység

Az optotrigger egységet a kutatócsoport fejlesztette a jelen kísérleti rendszer céljaira. A saját elektromos kapcsolás kifejlesztésére azért volt szükség, mert a rendelkezésre álló kereskedelmi egységek nem bizonyultak elég gyorsnak (a triggerjel nem volt elég meredek, vagy a triggerelés nem tudott kellően gyorsan megismétlődni) és funkcióik is szűkösebbek voltak az elvártnál. A kapcsolási rajzot a 11. ábra mutatja be.

19

11. ábra. Az optotrigger egység kapcsolási rajza

Az egységen 1 db SMA típusú száloptikás fénybemenet és 3 db BNC csatlakozós elektromos kimenet található. A bemeneten a multiplexerből érkező fényjelet vezetjük be, ami egy 203P típusú PIN fotodiódára (PD) vetül. Ennek a fotodiódának a közvetlen kimeneti jele jelenik meg az egység PD OUT jelű elektromos kimenetén. Az itt megjelenő jelalak nagy bemeneti ellenállású, gyors elektronikai eszközökkel (pl. oszcilloszkóp) vizsgálható és a szikra plazma teljes fényemissziójának időfüggését mutatja. A fotodióda kimenete rákerül műveleti erősítőre, ami komparátorként működik; amennyiben a fotodiódára eső fény intenzitása meghaladja a potenciométeren beállított jelszintet, akkor a PD (TTL OUT) kimeneten egy olyan hosszúságú TTL szintű (5 V) feszültség impulzus kerül ki, mint amilyen hosszú a PD jel hosszúsága. Mivel a plazma emissziója µs nagyságrendű, ezért a PD (TTL OUT) kimenet is ilyen nagyságrendű impulzushosszat állít elő. Ennek a kimeneti jelnek a felfutó éle indítja el a CCD spektrométert. Ez a TTL szintű jel rákerül az utolsó IC-re is, ami egy monostabil multivibrátor. Ennek a feladata egy beállított hosszúságú TTL szintű impulzust kibocsátani (TTL OUT). Ezen jel hosszúsága a ms tartományba esik és a célja később a szikra ismétlési frekvenciájának méréséhez adatszolgáltatás. Az optotrigger egység működési paramétereit a kísérleti munka során lemértük, beállítottuk.

20

4.1.3. Az USB oszcilloszkóp

A kísérleti rendszer számára vásároltunk egy kétcsatornás USB oszcilloszkópot is, amelyek feladata az optotrigger egység kimeneti jeleinek kezelése és a számítógépbe való betáplálása. Az eszköz beszerzésekor a következő szempontokat tartottuk szem előtt: a.) legyen az adatgyűjtés több száz MHz, hogy az oszcilláló elektromos kisülés változásait hűen le tudjuk követni, b.) hosszú memória, hogy a maximális adatgyűjtési sebességgel is hosszú, ms hosszúságú jelalkokat is tárolni tudjon, c.) kompakt méret, d.) kis elektromos fogyasztás. A kiválasztott eszköz a PicoTechnology cég 2207A modellje lett, amelynek képe és paraméterei az alábbi illusztációkon láthatók [12].

12. ábra. PicoTechnology PicoScope 2207A

Sávszélesség: Maximális mintavételezési sebesség:

100 MHz 1 GS/s

Puffer memória:

40 kS

Felfutási idő:

3.5 ns

Tápellátás:

5V DC (USB)

21

4.1.4. A CCD spektrométer

A kísérletek számára rendelkezésre állt egy száloptikás, Avantes AvaSpec CCD spektrométer, amely jól szinkronizáltan, az UV spektrumtartományban (200-370 nm, optikai felbontás kb. 0,05 nm) képes rögzíteni a spektrumokat. A spektrométer detektora egy 3648 pixeles Toshiba CCD chip, amelynek legrövidebb integrációs ideje 10 µs. Az adatgyűjtés szinkronizációja céljára egy TTL szintű jelbemenete van a spektrométernek, amelyre adott impulzus felfutó éle indítja az adatgyűjtést egy rövid, néhány tíz ns késleltetési idővel. Egy spektrum tárolása és az USB porton a számítógép felé való továbbítása mintegy 4 ms időt igényel, vagyis 100-200 Hz szikra ismétlési frekvenciáig jól működik, mint detektor. Tápellátása 12 V DC. Száloptikás bemenete FC/PC csatlakozós. A spektrométer képét az alábbi fotó mutatja (a mi készülékünkben csak egy spektrumcsatorna található) [13].

13. ábra. Az Avantes AvaSpec száloptikás CCD spektrométer

4.1.5. A vezérlő miniszámítógép A Single Board Computer (SBC) egy olyan komplett számítógép, amit egyetlen áramköri lapon építettek, mikroprocesszorral, memóriával, ki- és bemeneti portokkal (I/O), stb. A számítógépet ipari célokra fejlesztették ki, és általában műszerekbe, gépekbe építve alkalmazzák. A jelen kísérleti rendszer céljaira egy olyan miniszámítógépet szereztünk be, amely a következő paramétereknek megfelel: a.) kis méret (mini ITX alaplap méret), b.) egyetlen feszültségsínű táplálás, c.) dual processzor, legalább 1,5 GHz frekvenciával a nagy sebesség érdekében, d.) 4 GB memória, e.) félvezető alapú (SSD) háttértár csatlakozási lehetősége, f.) számos csatlakozó (pl. RS-232, LAN, HDMI, VGA, USB, PCI, stb.), g.) programozható TTL szintű ki/bemeneti interfész, h.) ventillátor nélküli, kis fogyasztású rendszer, i.) megbízható ipari gyártó. A választás az Advantech cég AIMB22

214 jelű modelljére esett, amelynek képe és fő paraméterei az alábbi illusztrációkon láthatók [14].

14. ábra. Az Advantech AIMB-214 Single Board Computer

CPU:

Intel® Atom™ processor N2600, Dual core 1.6 GHz

Rendszer memória:

4 GB, DDR 3, 1066 MHz

Tápellátás:

12 V DC

PCI bővítőhely:

van

Soros portok:

6 db

USB portok:

6 db

LAN portok:

2 db gigabit LAN

Háttértár:

SATA 3, Compact flash kártya (64 GB)

GPIO:

8 bites programozható TTL ki/bemeneti csatorna

Ezen a vezérlő és központi számítógépen fut az operációs rendszer (MS Windows 7), az adatgyűjtő és kiértékelő szoftver (NI Labview), valamint tároljuk az adatokat.

23

4.2. A mérési adatok és kiértékelésük 4.2.1. NI LabView adatgyűjtés és vezérlés Munkám során megismerkedtem egy grafikus programozási nyelvvel, a LabViewval, amelyben virtuális eszközöket lehet létrehozni, ahol a mérési adatok összegyűjtése és feldolgozása történik. Az alábbiakban egy konkrét mérési feladat megoldásán keresztül mutatom be a Labview környezetben készülő vezérlőprogram egyik kiértékelő blokkjának működését, melynek blokk sémáját a 14. ábra mutatja.

15.ábra. A szikra ismétlődési frekvenciájának meghatározására szolgáló kiértékelő rutin blokk diagramja (Fourier-transzformáció segítségével)

A tesztelés során szimulált adatsoron dolgoztam. Az alább bemutatásra kerülő példában egy csillapodó rezgés frekvenciáját fogom meghatározni. Ez például az SDG-ben keltett szikra lecsengési tulajdonságainak jellemzése miatt fontos, ugyanis a kisülési körben folyó áram, illetve eső feszültség jó közelítéssel ilyen időbeli viselkedést mutat. A frekvencia meghatározáshoz Fourier-transzformációt alkalmazunk, melyet a gyors Fouriertranszformációs algoritmus (későbbiekben FFT) segítségével végez el a program. A bemenő adatsor egy csillapodó rezgés hullámformája, amelynek egyenlete a következő: I(t)=�𝑑 ∗ 𝑒 −𝜆𝑡 � ∗ sin(𝜔𝑡 + 𝜑)

24

ahol d a rezgés amplitúdója, λ a csillapodási tényező, t az idő, ω a körfrekvencia, 𝜑 pedig a fázisszög.

15. ábra. A szimulált hullámforma (bal alsó grafikon) és annak Fourier-transzformáltja (jobb alsó grafikon) a LabView szoftver Front paneljén.

A 15. ábra bal alsó grafikonja egy szimulált áram hullámformát mutat, melynek előállítása a következő paraméterek mellett történt: d= 1, λ=50000 s-1, Δt=5⋅10-9 s, ω= 1,26⋅107 Hz, 𝜑 = 0. Ezen paraméterek közül jelen mérési probléma szempontjából a

csillapodó rezgés körfrekvenciája, azaz az ω a legfontosabb jellemző. A 15. ábra jobb alsó grafikonja mutatja a hullámforma Fourier transzformáltját az ampilúdó-frekvencia síkon.

Az éles adatokon való kiértékeléshez, elengedhetetlen volt megállapítani, mennyire valós frekvencia adatot kapunk az Fourier-transzformálás után. A szimulált adatsoron a frekvencia 2 MHz volt. Az FFT rutin által szolgáltatott grafikononról a program által kiértékelt központi frekvencia 2,05 MHz volt. Megjegyzem, hogy a Fourier analízis univerzalitása miatt a szikraismétlési frekvencia, SRR meghatározása ugyanilyen módon és ugyanezen modul segítségével történik. A Peak Detect rutin a bal alsó grafikonon keresi meg, az első és a második csúcsot, s ebből számítja a köztük eltelt időt. A rutin a legkisebb négyzetek módszerével illeszt, és az adatokat interpolálja. A rutin által kiszámolt idő különbség Δt= 5⋅10-7 s, amelynek

25

reciprokaként szintén megkaphatjuk a generált hullámforma frekvenciáját. Ez a módszer azonban már nem működne egy összetettebb, zajjal terhelt kísérletileg mért adatsoron.

4.2.2. A spektrométerrel gyűjtött adatok és információ tartalmuk Az SDG-ben lejátszódó szikrakisülés monitorozásának egyik lehetősége a spektroszkópiai adatokon alapul, amellyel esetleges technikai problémáról is tudunk információt szerezni, de akár nyomon tudjuk követni az elektródok fogyását is. Az elektródok fogyására szolgáló monitorozási információ a spektrumok intenzitásának és a spektrum görbe (total integrated light) vizsgálata. A spektrumok intenzitásának vizsgálatakor, elektród fogyást követően a fém vonalak intenzitása az idő elteltével csökkeni fog, mert a szikraköz megnő, és a kondenzátornak egyre nagyobb töltés szükséges a szikra keltéséhez. A spektrum görbe vizsgálatával ugyancsak követni lehet az elektród fogyást. Ilyenkor spektrométer által mért összes intenzitás adatot összeadjuk, és megvizsgáljuk, az összes intenzitás mértékének eltérését. Ha az elektródok fogynak, az összes intenzitásban csökkenés fog megjelenni. A kamra állapotának változása is (pl. a vivőgázon kívül levegő is bekerül a rendszerbe) az összes intenzitás változását fogja eredményezni. A spektroszkópiai mérésekhez a mérőeszközök részben már bemutatott Avantes spektrométert használtuk. A szikra fényét Ocean Optic 74-ACR típusú szálvégi lencsével gyűjtöttük, majd a fény egy 5 méter hosszú ThorLabs FT 400 UMT (mag átmérője: 40 μm) típusú optikai szálon keresztül vezettük be a spektrométerbe. A spektrométer 200-370 nm tartományban képes mérni, de mivel a szálvégi üveg lencse 350-2000 nm hullámhossz tartományban ereszt át, s képest a fényt továbbítani, így 300 nm alatti tartományban a spektrumon nem fogunk lényegi információt látni. Munkám során nikkel és réz elektródok között létrehozott szikrakisülés spektrális vizsgálatát végeztem el. A nikkel elektródokkal történő mérést nitrogéngázban végeztem, 1 mm szikraközben, 40 Hz szikra ismétlési frekvencia mellett, 5 liter/perc áramlási sebességű atmoszférkius nyomású nitrogéngázban. Egy tipikus spektrumot mutat a 16. ábra.

26

16. ábra. Nikkel elektródok közt atmoszférikus nyomású áramló nitrogén gázban létrehozott szikra spektruma

Az ábrán jól látszik, hogy a spektrum vonalban gazdag, sok keskeny és intenzív csúcs jelenik meg. A spektrumvonalak beazonosítása a NIST adatbázis alapján történt. Látható, hogy a spektrumban jelen vannak mind a gáz közeg (nitrogén), mind pedig az elektród (nikkel anyagára jellemző vonalak A spektrum vonalak beazonosítása során úgy tálaltuk, hogy a nikkel csak atomos formában, míg a nitrogén csak ionos formában fordul elő. Réz elektródok között, ugyancsak 1 mm szikraközzel, 100 Hz-en, 5 liter/perces gázáramban keltettünk szikrát, de itt nitrogén helyett argon gázzal dolgoztunk. Egy rögzített spektrumot a 17. ábra jelenít meg.

27

17. ábra. Réz elektródok közt létrehozott szikra spektruma atmoszférikus nyomású argon gázban

Az ábrán látható, hogy sokkal kevesebb intenzív vonal látható, mint a nikkel esetében. A réz vonalak ugyancsak atomos, az argon vonalak pedig ionos formában jelennek meg, a nitrogén és az argon esetében az intenzitások sokkal kisebbek, de monitorozási célra mind a kettő megfelelően alkalmazható. A 16 és 17. ábrák összehasonlításával a Ni és Cu spektrumok közti különbség szemmel látható: a Cu-Ar spektrumban sokkal kevesebb vonal utal az elektródanyag jelenlétére, mint a nikkeles mérésnél.

4.2.3 A fotodiódával gyűjtött adatok és informácó tartalmuk Az szikrák optikai analízisének másik lehetséges módszere, amikor nem spektrumokból nyerünk információt, hanem az optotrigger egység által, és azon belül a fotodióda által szolgáltatott adatokat mérjük. A fotodióda által felvett jellegzetes jelalakokat 18. ábrán láthatjuk.

28

18. ábra. A fotodióda által szolgáltatott jelalakok µs-os időfelbontásban

A 18. ábrán a nagyfeszültség jel fekete színnel van jelölve, amely egy csillapodó oszcillációt mutat (ezt a jelalakot referenciaként egy külső oszcilloszkóppal vettük fel). A TTL OUT jel egy négyszög jelet szolgáltat (az ábrán piros színnel jelölt). A PD TTL OUT jelalak kék színnel jelölt. A nagyfeszültség görbe felfutó ágát a másik két jelalak pontosan követi és nincs lényegi késés. A fotodióda jelalakokból nyerhető információk: a szikra ismétlődési (Spark Repetition Rate, SRR) és az áramjel csillapodását jellemző frekvenciák. Megemlítem azt a lehetőséget is, hogy interferencia szűrőt helyezve a fotodióda elé, a szikra plazma bizonyos összetevőjének időfüggő koncentrációja is monitorozható, bár ebben a rendszerben erre a spektrométer alkalmasabb.

4.2.4. A teljes rendszer tesztelése Az SDG működési stabilitását ellenőrző kísérletekben a fotodióda jelet 1 órán keresztül gyűjtöttük, nikkel elektródákat alkalmazva, 5 liter/perc-es nitrogén gázáramban, 1015 mbar nyomáson. Ezeket az adatokat összevetettük az oszcilloszkóppal rögzített nagyfeszültség görbékkel is. 29

A mért adatokat ábrázoltuk az idő függvényében. A nagyfeszültség görbéből a szikra ismétlési frekvenciáját (SRR) meg lehet határozni. Ennek alakulását az idő függvényében a 18. ábrán láthatjuk. Megfigyelhető, hogy az 1 óra időtartam alatt az SRR 41 és 46 Hz között változott, mégpedig folyamatosan, közel lineárisan emelkedett. A 19. ábrán a fotodióda TTL OUT jeléből számított SRR frekvencia időbeli alakulását láthatjuk. Ez a jel egy négyszögjel, így ennek periódusidejének reciproka adja a az SRR frekvenciát.

18. ábra. A feszültség jelből számolt SRR frekvencia időbeli alakulása

19. ábra. A fotodióda jeléből számolt SRR frekvencia időbeli alakulása

30

A kétféle módon számoltfrekvencia adat jó közelítéssel megegyezik, amit úgy is ellenőriztünk, hogy az SRR frekvenciát a rendszerben manuálisan változtattuk a 0-120 Hz tartományban és ábrázoltuk a kétféle módon meghatározott frekvenciát egymással szemben. A 20. ábra jól igazolja, hogy a fotodióda jeléből származtatott frekvencia valóban jól közelíti a tényleges, a nagyfeszükltség jelből származtatott SRR értéket, vagyis valóban elegendő a fotodióda jelet monitorozni.

20. ábra. A kétféle SRR érték korrelációja

A következő, 21. ábra egy érdekes megfigyelésünket mutatja be. Azt tapasztaltuk ugyanis, hogy az oszcilloszkópon leolvasott átütési feszültség értéke jól korrelál a PD OUT TTL jel hosszával, vagyis a szikrakisülés élettartamával. Ez nem teljesen meglepő, hiszen minél nagyobb az átütési feszültség, annál tovább fog tartani a kondenzátor kisülése, vagyis annál hosszabb lesz a fotodióda jelalak.

31

22. ábra. A kondenzátor töltőáramának változtatásával előidézett átütési feszültség változásának vizsgálata , a PD TTL OUT fél érték szélességének függvényében

A megfigyelés jelentősége abban rejlik, hogy eszerint a fotodióda jelalak kiértékelésével az átütési feszültség értéke is jól meghatározható, ami előnyös, hiszen ez egy fontos, másképpen csak nagyfeszültségű adatgyűjtéssel begyűjthető információ. A spektrumok kiértékelésnél is kíváncsiak voltunk az időbeli intenzitásváltozásra. A nikkel-nitrogén spektrumból mért adatokat értékeltük ki. A spektrum egyes vonalai alapján jól azonosítható és monitorozható a gázatmoszféra összetétele és az elektród anyaga; ha ezek megváltoznak, akkor erre az emissziós spektrum érzékenyen reagál. A spektrum további időbeli változásának kiderítése érdekében néhány kiválasztott és jól beazonosított nikkel spektrumvonal intenzitásának változását is figyeltük 35 percen keresztül. Az eredményt a 23. ábra mutatja be.

32

40000

Intenzitás ( beütésszám)

35000 30000 25000 20000 15000

341,32 nm Ni I

10000

345,68 nm Ni I

5000

345,98 nm Ni I

0 0

5

10

15 20 Idő ( perc )

25

30

35

23. ábra. A Ni-N2 spektrum időbeli változása

Látható, hogy időben az intenzitások kismértékben növekszenek, főleg az első 5 percben (kb. 15% növekedés). Ez azt jelzi, hogy a generátor a bekapcsolást követően kb. 5 percig stabilizálódott, majd utána viszonylag stabilan működött (5-10% intenzitás ingadozás). Meg kell jegyezni, hogy a spektrumokat a kellő intenzitás érdekében 1 s integrációs idő mellett vettük fel. Továbbiakban kíváncsiak voltunk, hogy a teljes spektrum görbe integrált intenzitásére (teljes emittált fény) nézve milyen összefüggés figyelhető meg. Ezeket az adatokat a 24. ábra mutatja be.

7000000 Intenzitás ( beütésszám)

6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 0 0

10

20

30

Idő ( perc )

24. ábra. A szikrakisülés által emittált teljes fényintenzitás időfüggése

33

A kapott eredményekből megállapítható, hogy ezen a görbén is lényegében az látható, hogy az első kb. 5 percben stabilizálódott a rendszer, majd kis ingadozással (kb. 510%) a teljes kibocsátott fénymennyiség állandó maradt. Itt érdemes megjegyezni, hogy ez az információ a fotodióda jelalak (PD OUT) integrálásával is kinyerhető lenne, azonban ehhez (amint az az optotrigger egység kapcsolási rajzából is kiderül), kiegészítő erősítő (transzimpedancia erősítő) lenne szükséges. Összességében megállapítottuk, hogy az optotrigger egység és a CCD spektrométer adatainak feldolgozásával valóban értékes információkat lehet gyűjteni az SDG rendszer működéséről.

34

5. Összefoglalás

Szakdolgozatom ideje alatt megismerkedtem az szikrakisülési plazma nanorészecske generátorokkal (SDG). Az SGD működésének monitorozása egy fontos feladat, amelnyek jelentőségét az adja, hogy az ipari alkalmazások számára elengedhetetlen a működés során az üzemi paraméterek folyamatos ellenőrzése. Ennek a feladatnak az elvégzésére vállalkozott a kutatócsoport, amelynek a munkájába bekapcsolódtam. A munka célja egy olyan optikai mérőeszköz kifejlesztése volt, amely a szikrakisülési plazma emissziójának száloptikás úton továbbított fényjeleiből (amelyeket egy CCD spektrométerrel, és egy gyors fotodiódával mértünk) a kisülés működési paramétereinek monitorozását

képes

elvégezni. Munkám részt vettem a rendszer funkcionális elemeinek megtervezésében, a LabView vezérlőszoftver elkészítésében, az optikai mérőrendszer összeállításában és bemérésével. A megépített kísérleti rendszer tesztelése még folyamatban van. A szakdolgozat elkészítésének ideje alatt a rendszer működését Ni és Cu elektródok között, argon és nitrogén atmoszférában keltett kisüléseken volt lehetőségem kipróbálni. A következő megfigyeléseket tettem: 1.) az emissziós spektrumban főként az elektród anyag atomi, míg a gázközeg ionos vonalai figyelhetők meg nagy intenzitással, 2.) a fotodióda jeléből a szikrakisülés ismétlési frekvenciája meghatérozható, 3.) a fotodióda jeléből az átütési feszültség megállapítható, 4.) az emissziós spektrum intenzitásainak időbeli követésével az SDG bemelegedése, stabilitása jól követhető.

35

5. Nyilatkozat

Alulírott

Juhász

Zoltán

Balázs

BSc

szakos

hallgató,

kijelentem,

hogy

szakdolgozatomat a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Karának, a Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszékén készítettem, kémia BSc diploma megszerzése érdekében. Kijelentem, hogy a dolgozatot más szakon korábban nem védtem meg, saját munkám eredménye, és csak a hivatkozott forrásokat (szakirodalom, eszközök, stb.) használtam fel. Tudomásul

veszem,

hogy

szakdolgozatomat

a

Szegedi

Tudományegyetem

könyvtárában, a kölcsönözhető könyvek között helyezik el.

…………………………….. Juhász Zoltán Balázs

Szeged, 2015. május 15.

Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar

36

6. Köszönetnyilvánítás

Ezúton szeretnék köszönetet mondani témavezetőimnek, Dr. Galbács Gábornak (SZTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék) és Dr. Geretovszky Zsoltnak (SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék), valamint Kohut Attila PhD hallgatónak (SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék), akiktől a szakdolgozat elkészítése során nagyon sok segítséget kaptam. A velük együtt végzett munka során számos új ismeretre tettem szert.

37

7. Irodalomjegyzék

1.

Mészáros Lívia: Lézerek alkalmazása a nanotechnológiában, egyetemi jegyzet, 2014.

2.

Kis-Csitári Judit: Antibakteriális textíliák előállítása ezüst nanorészecskék felhasználásával, Magyar Textiltechnika LXIII. évfolyam, 2010/1.

3.

T.V. Pfeiffer, J. Feng, A. Schmidt-Ott: New developments in spark production of nanoparticles, Advanced Powder Technology 25 (2013) 56-70.

4.

http://cordis.europa.eu/project/rcn/102134_en.html

5.

Gerzson Miklós: Méréselmélet, Typotex kiadó, 2011.

6.

Jeffrey Travis, Jim Kring: LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Easy and Fun (3rd Edition), Prentice Hall, 2006.

7.

Tóth Lajos, Szabó Norbert: LabWindows/CVI-ban fejlesztett wavelet transzformációs modul alkalmazása LabView környezetben, Multidiszciplináris tudományok, 3. kötet, 2013.

8.

Schnell László: Jelek és rendszerek méréstechnikája. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985.

9.

Szakonyi Lajos, Kapitányné Hantos Gizella: Irányítástechnika II., egyetemi jegyzet, PTE, 2002.

10. Lambert Miklós: Mérőérzékelők, Integra-Projekt, Budapest,1993. 11. Leoni: FiberSwitch Light switching for optical systems 12. https://www.picotech.com/oscilloscope/2200/picoscope-2200-specifications 13. http://www.avantes.com/

38