автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка метода анализа концентрации соли кобальта в водном растворе

На правах рукописи

Итин Алексей Леонидович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛИ КОБАЛЬТА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ

Специальность Оптические и оптико-элсктронныс приборы и 05.11.07 - комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

Работа выполнена я Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор

Колесников ЮЛ.

Официальные оппоненты: Гордеев Д.М.

к.т.н, ген. директор ООО «Автовиэус»

Яковлев В .А.

д.ф.-м.н., главный конструктор по гидрооптике и оптике света, ОАО ТОЙ им. С.И. Вавилова",

Ведущая организация: ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева"

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова 14, ауд.114-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан «__»_ 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

Ь,1ЬГ,/|01 ЕКА 20 14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время проблема затрязнения окружающей среды остро встает перед человеком, это связано с тем, что экономика достигла высоких результатов в прошлые столетия используя природные ресурсы, не обращая внимания на последствия. Сейчас же, во многом, обращается внимание не только на сам продаваемый продукт, но и на процесс его производства, а точнее на его негативное влияние на окружающую среду.

Одними, из наиболее подвергшихся влиянию экстенсивного развития экономики факторов среды является состояние водного и атмосферного пространств Земли. Атмосфера и водный покров являются естественной средой обитания человечества и всей биосферы Земли. По этой причине, стабильность их состава представляет собой необходимое условие выживания и качества жизни человечества.

Газовый состав атмосферы Земли оказывает большое влияние на распространение света, образование, рост и свойства аэрозолей, качество воздуха, и здоровье человека. В последние годы особое внимание уделяется связи химического состава атмосферы и изменению климата, а точнее сохранению стабильности ее состава.

Вода является одним из условий существования органической жизни на Земле, она необходима для питья, производства многих биологических процессов, в жизни человека, в сельском хозяйстве, промышленности, медицине н во многом другом. Деятельность человека изменяет гидрологический цикл и может серьезно загрязнить имеющиеся водные ресурсы.

Сегодня загрязнения в воду поступают из многих различных источников и часто в больших объемах. Некоторые формы такого загрязнения обусловлены отсутствием обработки сточных вод, промышленными сбросами, вымыванием шахтных отходов, а также вымыванием остатков сельскохозяйственных удобрений и пестицидов. Уровень загрязнения воды изменяется от одного региона к другому в зависимости от плотности городской застройки, практики ведения сельского хозяйства и промышленности и наличия или отсутствия систем сбора и обработки сточных вод. В своем большинстве необработанные сточные воды попадают в близлежащие водотоки. Сброс тяжелых металлов, свинец, медь, цинк, хром, кобальт которые весьма токсичны для водной среды, также является одной из составляющих загрязнения. Нормирование содержания вредных веществ в среде проводят по предельно допустимым концентрациям (ПДК).

Избыток таких веществ для человека крайне вреден. Регулярное поглощение с водой, к примеру, солей кобальта может привести к побочным эффектам на сердце, и в отдельных случаях, к летальному исходу. Известны случаи возникновения кобальтовой кардиомиопатии. ПДК солей кобальта в питьевой воде определено как 0,01 мг/л.

Создание систем экологического мониторинга окружающей среды является одной из существенных задач, стоящих перед экономикой. Важными |фитерием высокого качества среды является соответствие заранее определенным нормам и диапазонам значений физических, геометрических, химических показателей.

Для оперативного и дистанционного контроля и регулирования ПДК в исследуемой среде широкое применение получили методы неразрушающего контроля, не требующие изъятие пробы, что тем самым позволяет избежать временных потерь, обеспечить частичную или полную автоматизацию производства. Сенсорные анализаторы могут работгть автономно, без вмешательства оператора, причем они работают с системами накопления и автоматизированной обработки информации, наиболее перспективными среди них стоит выделить оптические.

С целью поиска и оптимизации характеристик, разрабатываемого оптического анализатора, используются методы моделирования.

Цель работы: Разработать метод анализа концентрации солей кобальта в водном растворе.

Задачи:

1. Проанализировать известные методы для определения концентрации солей кобальта и на основе анализа предложить схемотехническое решение анализа с более высокими значениями точности.

2. Проанализировать материалы, используемые в качестве хемочувсивительного и волноводного слоя к анализируемому веществу и выбрать лучшие, удовлетворяющие условиям, при которых будет достигаться достаточная чувствительность и время работы.

3. Разработать модель обнаружения, на основе которой возможно производить оптимизация параметров анализатора.

Научная новизна:

• Предложен анализатор, в котором в качестве хемочувствительного слоя предложен полимерный материал (толщина 10 мкм), что позволяет достигнуть невысокой цены и миниатюрности;

• Представлены исследованные оптические свойства тонкой пленки тетразолсодержащего акрилового гидрогеля с различным временем набухания и их зависимость от концентрации соли кобальта в водном растворе.

• Получен график зависимости величины сенсорного эффекта анализатора от концентрации соли кобальта в растворе в диапазоне от 0,001 до 0,1 моль и временем срабатывания менее 2 мин;

Практическая значимость работы:

• Предложена схема интегрально-оптического анализатора солей кобальта в водном растворе с трехслойной структурой и торцевым вводом излучения в волновод;

• Разработанный анализатор обладает увеличенным сроком службы без замены хемочувствительного слоя, что позволяет его использовать в качестве анализатора в проточной воде;

• Показана возможность использования акриловых гидрогелей в качестве чувствительного слоя оптического анализатора.

Реализация результатов диссертационной работы.

Результаты работы использованы в проекте «Создание миниатюрного измерительного комплекса» на предприятии ООО «АвтоВизус».

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, внедрены в учебный процесс Инженерно-физического факультета Университета ИТМО при подготовке бакалавров направлений подготовки 223200 «Техническая физика» и 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались и обсуждались на: XXXVII научная и учебно-методическая конференция, 2008г.; XL научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, 2011г.; Седьмая международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2011», 2011г.; I Всероссийский конгресс молодых ученых НИУ ИТМО, 2012г.; 8 th International Conference on ODF12, 2012г.; ХЬП научная и учебно-методическая конференция, 2013г.; Международная научно-практическая конференция "Свет Петербурга 2013", 2013г.; II Конгресс Молодых Ученых НИУ ИТМО, 2013г.; Международная научно-практическая конференция "Sensorica 2013", 2013г.; XLIII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, 2013г.; Ш Всероссийский конгресс молодых ученых, 2014г.; Международная научно-практическая конференция "Sensorica 2014", 2014г.;

Материалы диссертации опубликованы в 17 научных статьях, из них 2 в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (список ВАК).

Личный вклад автора

Постановка цели и задач диссертационной работы были проведены совместно с научным руководителем работы. Представленные в диссертационной работе результаты математического моделирования, проведенные эксперименты, обработка и анализ полученных в них результаты были получены либо лично соискателем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и вывода и 3 глав. Содержит 6,5 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 66 источников.

Положения, выносимые на защиту:

• Схемотехническое решение по конструкции химического анализатора, в том числе условие ввода излучения в анализаторную систему, толщина волноводного слоя, взаимная геометрия системы;

• Оптические свойства полимерного волновода, состоящего из акрилового теггразолсодержащего гидрогеля;

• Характеристики работы анализаторной системы, график зависимости концентрации от отклика анализатора.

Содержание работы

Во введении приведена актуальность исследования, сформулированы цели и задачи, изложена научная новизна и практическая значимость представляемой работы, указаны положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены методы и классификация анализаторов и дистанционных методов обнаружения химических веществ. Представлено преимущество оптического метода построения анализатора химических веществ.

В качестве наиболее перспективных анализаторов предложены интегрально-оптические анализаторы химических веществ. Принцип работы интегрально-оптических анализаторов абсорбционного типа основан на регистрации изменения интенсивности излучения, распространяющегося через исследуемую газообразную или жидкую среду (находящуюся рядом с анализаторной системой).

На рис. 1 схематически показан поперечный разрез простого трехслойного интегрально-оптического тонкопленочного волноводного анализатора химического вещества. Он образован тремя средами: воздухом 1, пленкой 2 и подложкой 3 с показателями преломления сред пь п2 и Пз, соответственно. Для обеспечения направляющих свойств показатели преломления п, сред волновода выбираются из условия т> пз, пг> пь

Рисунок 1 - Интегрально-оптический волноводный анализатор. I - покровный слой (воздух), 2 - волноводный слой (пленка); 3 - подложка; 4, - вводимое излучение; 5 - призма ввода излучения; 6 - распространяющееся излучение

4 Вводимое излучение

1 Воздушная прослойка

6 Распространяющееся излучение

2 Волноводный слой

3 Подложка

Принцип работы таких анализаторов; излучение 4, введенное в волноводную структуру с помощью призмы 5, распространяется вдоль волновода и испытывает полное внутреннее отражение на границах волновода[1]. Появление примеси приводит к изменению оптических параметров волновода (показателя преломления и коэффициента поглощения), и, следовательно, параметров выходящего из волновода излучения.

Для регистрации параметров выходящего пучка может быть использован оптоэлектронный блок, который включает в себя фокусирующую оптическую систему, фотодетектор - ПЗС-матрица и систему обработки и передачи информации.

При использовании высоко устойчивой миниатюрной электронной схемы сравнения на базе прецизионных операционных усилителей и компьютерной регистрации, и обработке данных измерений интегрально-оптический химический анализатор демонстрирует хорошие метрологические характерисгики.

Вторая глава посвящена теоретической и экспериментальной подготовке исследования. В качестве хемочувствительного слоя в анализаторе предлагается использовать полимер.

Материалы на основе таких полимеров, способных поглощать воду, солевые растворы, кровь, лимфу, мочу и множество других водных жидкостей, находят самое широкое применение в медицине, сельском хозяйстве, строительстве и различных отраслях промышленности.

Полимерные технологии представляет собой путь к изготовлению легко воспроизводимых и недорогих микросистем в связи со своей природой.

Полимерные материалы, которые могут быть использованы в системах оптических анализаторов, должны обладать физической и химической стабильностью, нетоксичностью, оптической прозрачностью в выбранном диапазоне.

При сравнении доступных полимеров, используемых в создании систем анализаторов химических веществ, можно выделить гидрофильные материалы, которые обеспечивают матрице свойства, сравнимые с водной средой. В таком материале частицы могут свободно диффундировать в объем всей полимерной матрицы, что позволяет создавать анализатор с повышенной чувствительностью.

В данном случае предлагается использование тетразолсодержащего полимера акриловой кислоты.

Выбранный полимер является селективным на соли кобальта и абсорбирует в свою внутреннюю структуру только их. Время релаксации и восстановления своего первоначального состояния составляет 10 минут.

- . * ...

.. i

•

. V t Y.' „ : * • \ U 'i л-siáj

Рисунок 2 - 'Гетразолсодержащий акриловый полимер: а - чистый, б - с поглощенным абсорбентом

В работе представлены исследования оптических свойств акрилового гидрогеля и показана возможность его использования в качестве чувствительного слоя анализатора.

Для исследования зависимости изменения показателя преломления от концентрации присутствующих в окружающем водном растворе ионов кобальта использовались пленки влагопоглощающего полимерного акрилового полимера. Образцы помещались на определенное время (до IО минут) в различные по концентрации (0, 0.1 моль, 0.001 моль) водный раствор СоСЬ для набухания и сорбции ионов металлов. При этом, изменение показателей преломления фиксировалось относительно показателей преломления исходных водных растворов хлорида кобальта и чистого полимера.

На рис. 3 представлены изменение показателя преломления полиакриловых пленок в процессе набухания в зависимости от концентрации кобальта при времени нахождения в растворе 2 и 10 мин. Таким образом, можно отметить, что изменение показателя преломления носит следующий характер: диапазон изменения составляет от 1,41 для полимерной ненабухшей акриловой пленки до 1,34-1,39 для гидрогеля в набухшем состоянии, содержащем сорбированные поливалентные ионы-загрязнители кобальта. Это обстоятельство позволяет использовать исследуемый полимерный материал в качестве чувствительного элемента в системах индикации, основанных на измерении показателя преломления.

Динамические свойства потенциального чувствительного элемента оптоэлектронного химического анализатора отражены на рис. 4. Переходной процесс практически заканчивается после нахождения акрилового гидрогеля в контакте с водными растворами солей хрома и кобальта в течение 3 мин.

Так, при нахождении образца полимерного гидрогеля в водных растворах солей переходных металлов в течение 2 минут и изменении концентрации ионов кобальта в 10 раз вызывает изменение показателя преломления на 0,01 для водных растворов СоСЬ. Таким образом можно предсказывать изменение концентрации pací вора по изменению показателя преломления. При нахождении образца в растворе СоСЬ в течении 2 минут показатель преломления будет изменяться по соотношению(1):

п(С) = 0,0026 * ta (С) +1,3947,

(1)

Рисунок 3 - Зависимости изменения показателя преломления полимерной влагопоглощающей пленки при температуре 20 °С в процессе набухания от концентрации окружающего водного раствора СоСЬ

0 3 4 6 s

Рисунок 4 - График зависимости показателя преломления полимерных пленок от времени набухания материала при температуре 20 °С в водных

растворах СоСЬ

Исследование спектральных характеристик полимерного материала проводилось на спектрофотометре Varían Сагу 500, диапазон измерения от 400 до 3000 нм, шаг измерения 0,1 нм, снятие спектра проводилось со скоростью 16000 нм/мин в УФ и видимом диапазоне и со скоростью 64000нм/мин в ближнем ИК-диапазоне. Исследование спектральной характеристики акрилового полимерного материала, дает возможность выбрать спектральный диапазон длин волн, являющийся наиболее рациональным при использовании полиакрилового гидрогеля в оптоэлектронных анализаторах.

Для исследования спектральных характеристик использовались 6 образцов, которые помещались в раствор солей кобальта с разной концентрацией на разное время.

На пером этапе был проведен полный спектральный анализ чистого гидрогеля во всем возможном диапазоне измерений.

Полный спектр пропускания гидрогеля (Рисунок 5), позволяет выделить конкретный диапазон для использования полимера, из графика видно, что большая часть ближнего ИК-диапазона непригодна для использования

(полимер перестает быть прозрачным для света на этом участке). Наиболее выгодным для использования в анализаторе с таким полимером будет являться видимый участок спектра, который был исследован более подробно.

г

1 \

I \

1

Л

/ "Л

/ 1

300 600 900 1200 1500 ЖО 2ЭТ) 2АПО 2700 ЭООО

Рисунок 5 - Коэффициент пропускания чистого полимера

Для исследования поведения полимера в видимом участке спектра измерения проводились в диапазоне от 300 до 800 нм с шагом измерения 0,5 нм.

На рис. 6 представлен график зависимости коэффициента пропускания чистого гидрогеля от длины волны. Иллюстрация отображает тот факт, что у чистого полимера в видимом участке спектра коэффициент пропускания находится в промежутке от 0.8 до 0.9, что позволяет его использовать в качестве слоя в интегрально-оптическом анализаторе.

Рисунок 6 - Коэффициент пропускания чистого полимера в видимом

диапазоне

Также был проведен спектральный анализ полимера, который помещался в раствор СоСЬ разной концентраций (0,001 моль, 0,01 моль, 0,05 моль).

На рис. 7 представлен график зависимости коэффициента пропускания гидрогеля, помещенного в растворы с разной концентрацией СоСЬ от длины

волны. Согласно этой иллюстрации коэффициент пропускания полимера изменяется в зависимости от концентрации раствора, что подтверждает возможность использования такого полимера в анализаторе. Сам полимер с наполнителем остается оптически прозрачным для света.

Рисунок 7 - Коэффициент пропускания полимера, помещенного в раствор СоСЬ

Таким образом, можно сказать, что этот полимер обладает требуемыми качествами и его возможно использовать в качестве хемочувствительного слоя в интегрально-оптическом анализаторе химических веществ.

Рисунок 8 - Схема прохождения излучения через трехслойную структуру

В интегрально-оптическом анализаторе с диэлектрическими волноводами фундаментальную роль играют ТЕ- и ТМ- моды, характеризуемые эффективным показателем преломления ут, для которого справедливо дисперсионное соотношение, связывающее параметры структуры и у„:

кМ - Гт)1/2^2 = аг*д [е21 (Л)]^ + агс^ (ЮГ + т' (2) где ш-номер моды, а О), Пг, пг показатели преломления соответственно подложки, волнового слоя с толщиной сЬ и внешней среды.

(1 - для ТЕ мод

— для ТМ мод' (3)

ки=2л/А; /¡.-длина волны излучения в вакууме

Значения ут находятся в зависимости от величин углов падения монохроматического излучения на элемент ввода излучения в волновод, при которых возбуждаются ВМ. В качестве элемента ввода излучения может быть использована призма с показателем преломления Нр>ут, дифракционная решетка, сужающийся участок несущего слоя, диафрагма и др.

Из соображений компактности была выбрана схема с вводом излучения через боковую грань анализатора. Принцип действия таких систем выражается в явлении уменьшения интенсивности вводимого в систему излучения и основан на эффекте многократного полного внутреннего отражения(МПВО).

При переходе из более плотной среды в менее плотную пз<п2, при некотором угле у«,, падения синус угла преломления по закону преломления должен быть больше единицы, что невозможно. Поэтому преломление не происходит, а происходит полное внутреннее отражение (рис. 9).

Таким образом условие полного внутреннего отражение определяется выражением:

^ п3

ыпу 2: —, (4)

Бхли исследуемая срсда поглощает излучение данной длины волны, то полное внутреннее отражение «нарушается». Коэффициент отражения уменьшается за счет поглощения неоднородной («эванесцентной») волны в образце.

В третьей главе представлены результаты исследования и их анализ, предложены различные области применения разработанного анализатора.

Рисунок 9 Структурная схема анализаторной системы

В качестве источника излучения предлагается использовать лазерный диод(МСтЫ11-589) с длиной волны 583 нм, который напитывается от источника питания. Выходящее из волновода излучение поступает на чувствительную площадку фотодиода(ВР\У-21 Я).

Для оценки свойств анализатора была создана цифровая модель в средс МаНаЬ. При этом использовались экспериментальные данные, полученные при изучении свойств полимера:

• Показатель преломления волноводного слоя п2=1.5163 (К8)

• Показатель преломления подложки щ=! .4904 (ЛК4)

• Показатель преломления Пз= 1.3350 (гидрогель чистый)

• Длина волны излучения А.=0,5893 мкм

В соответствие с выбором геометрией анализатора возможно подобрать оптимальный угол ввода излучения. Условие МП ВО выполняется при обозначенных изменениях показателя преломления, в том случае, если угол отражения от границы сред волновод-полимер будет больше 67° 25'градусов при максимальной концентрации исследуемого вещества рис. (Таблица 1).

Рисунок 9 - Условие полного внутреннего отражения Критический угол отражения для границы сред волновод-полимер определялся по формуле 4.

Таблица 1 - Значение критических углов на границах сред

Граница сред Укр

Подложка-воздух 42° 5'

Волновод-воздух 41° 16'

Волновод-полимер 61° 42'-67° 25'

Волновод - подложка 79°

Ввести излучение в анализаторную систему возможно несколькими способами:

1. Введение излучения через чувствительный слой;

2. Введение фронтально через стеклянную подложку;

3. Введение через торец анализатора.

Первый метод невозможно использовать, так как внешняя сторона хемочувствительного слоя не является оптически ровной и имеет довольно большую шероховатость, а также в связи с тем, что этот слой будет взаимодействовать со средой изучения.

Рисунок 10 - Использование фронтального ввода излучения в анализатор При введение излучения фронтально не будет наблюдаться условие выполнения многократного полного внутреннего отражения, таким образом использование такой геометрии ввода невозможно рис.12. А зависимость критического угла от угла ввода выражается, как:

У = агс^ЫШ-) (4)

пг

Зависимость угла преломления излучения в волноводе ог угла ввода иапучення(введвнне в профиль)

90

80 70 60 50 40 30 20 10

°0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

а1рЬа

Рисунок 11 - Зависимость угла отражения в волноводе от угла ввода при введении в профиль При схеме ввода излучения в торец анализатора условие МПВО, также нельзя выполнить при заданных параметрах (рис.12).

Зависимость угти преломления млучанмя я волновода от ута ввода излучвния(|Швд««ив чврм торец) 90

80

70 60 50 10 30 20 10

°о ю го то «о и 60 то м> и

а]рИа

Рисунок 12 - Зависимость утла преломления излучения в волноводе от угла ввода излучения

Для решения данной задачи предлагается добавить воздушную тонкую прослойку, в следствии чего возможно выполнение условий ПВО, а анализатор принимает вид, представленный на рис.13.

Рисунок 13 - Ход оптических лучей в химическом анализаторе В соответствии с предложенной геометрией зависимость параметров принимаебт вид:

/? = агс5т(^); (5)

"4

в = 90° - р = 90° - агатС—); (6)

п4

11451п(90',-агс81п(^)) у = агсБт(-) (7)

Таблица 2 - Зависимость угла отражения излучения в волноводе от угла ввода излучения_

а У

1° 79°45'

5° 79°15'

10° 77°48'

20° 73°19'

25° 70°42'

30° 68°

40° 62°38'

50° 57°37*

60° 53°16'

В соответствии с этими данными условие МПВО будет выполняться при углах ввода до 30°.

Змисимооь крип\х«с«ого утла препомпвии* излучении • волновод» от poK*jei#n» пре.юмпвням полимер*

Рисунок 14 - Зависимость критического угла отклонения излучения от показателя преломления полимера По мере распространения во вторую среду волна убывает по экспоненциальному закону.

/ = /0ехр(-Ыв/), (8)

где к - показатель поглощения хемочувствительного слоя, а &е[ - глубина проникновения быстроисчезающей волны внутри пленки в момент отражения, 10 - интенсивность света вошедшего в образец, I - интенсивность света поглощенного за счет НПВО.

Для расчета эффективной глубины приводится соотношение:

V

47Г

Jnlsm2y-n%

(9)

где у - угол ПВО в волноводе.

Для оценки числа полных внутренних отражений в анализаторе из соображений геометрической оптики получено соотношение:

N =--—-¡¡¡¡г. (10)

dtö(90°-arcsln(i~))

где Lud - длина и толщина волновода, а - угол ввода света в торец подложки.

Коэффициент отражения для условия нарушенного полного внутреннего отражения равен:

(П)

R = W* / =exp(-Xde/)

/ 'введ

1погл - интенсивность света, поглощенного за счет нарушенного полного внутреннего отражения, 1о - интенсивность света, вошедшего в образец, % -натуральный показатель поглощения.

В случае МНПВО на границе волновод - чувствительный слой для N отражений приводится соотношение:

^погл

7/ )w = 1 - Nxdef

/'введ

Таким образом, можно получить итоговое отношение:

Лшх! defl 'иыхО

(12)

— непосредственно измеряемая величина на выходе из

'пыко

анализаторной системы, является отношением выходного значения волны при определённом значении концентрации загрязнителя к эталонному значению.

В соответствии с полученными данными можно использовать угол ввода излучения 20".

В соответствие с выражениями величина сенсорного эффекта зависит от количества Полных внутренних отражений, которые в свою очередь зависят от толщины волноводного слоя и длины анализаторного блока.

Таблица 3 - количество полных внутренний отражений в волноводе в зависимости от угла ввода излучения (при «1 = 1 мкм и Ь=10мм)

а, мкм N

1° 116

5° 5850

10° 1171

20° 2354

25° 2953

30° 3556

Таблица 4 - количество полных внутренний отражений в волноводе в зависимости от толщины волновода и его длины при угле ввода 20°

с], мкм Ц мм

1 10

0,1 2354 23547

0,2 1777 11774

0,5 470 4709

1 235 2354

2 117 1177

5 47 470

10 23 235

Рисунок 15 - Зависимость количества полных внутренних отражений от длины и толщины волновода Согласно эти данным, можно отметить, что увеличение длины волноводного слоя заметно увеличивает количество Полных внутренних отражений, и наоборот, увеличение толщины волноводного слоя приводит к уменьшению количества ПВО. Толщиной волноводного слоя был была

Рисунок 16 - Зависимость изменяющегося показателя преломления хемочувствительного слоя от сенсорного эффекта

Цифровая модель интегрально-оптического анализатора позволяет оценить все наиболее важные характеристики системы.

Рисунок 17 - Зависимость концентрации хлорида кобальта в полимере от величины сенсорного эффекта

Согласно рис.17 изменение концентрации веществ, растворенных в воде на 0,01 моль вызовет отличие на порядка 1% сенсорного сигнала на выходе с устройства, что позволяет четко определять изменение концентрации вещества, на рис. 56 выведен диапазон от 0 до 1 моль концентрации СоС12, так

как это наиболее важный диапазон, более t моль вода перестает быть прозрачной, и приобретает характерный бордовый цвет.

Задавшись значениями показателей преломления волноводного слоя пз= 1.5163, чистого полимера no= 1.3350, полимера, помещенного в раствор 0,1 моль CoCli на 2 минуты с no= 1.3890 и окружающей среды (воздух) nj=l, X =0,5893* 10"6 м, получаем 7=73° 19'.

(Де)гпш - минимальное изменение сенсорного эффекта волновода, которое необходимо для эффекта переключения. Продифференцировав дисперсионное уравнение, можем найти, что

Продифференцировав уравнения (9) и (13), можем найти, что

= ■ (16) "Э pilsln*Y-nlXn22sln*r-nl)

В случае если электронная схема обработки позволяет достичь (ÄE)min = 10°, тогда минимально обнаруживаемое изменение показателя преломления полимерного слоя составит Дтг3 = 1,7*10"4, что соответствует приведенным в литературе аналогам.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты работы

1. Представлены зависимости показателя преломления полимера от концентрации соли кобальта в растворе, носящая экспоненциальный характер.

2. Представлены спектральная характеристика полимера, отражающая тот факт, что материал является оптически прозрачным в видимом диапазоне с показателем пропускания от 0,8 до 0,9.

3. Впервые показана возможность использования акрилового гидрогеля в качестве чувствительного слоя интегрально-оптического анализатора.

4. Предложено схемотехническое решение химического анализатора;

5. Показано, что предлагаемый анализатор может быть использован для систем индикации концентрации хлорида кобальта с чувствительностью не менее 0,0002моль.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Итин А.Л., Лукин С.Б., Успенская М.В., Соловьев B.C. Исследование оптических свойств акрилового гидрогеля для систем индикации загрязнений // Изв. вузов. Приборостроение. - 2012. - Т. 55. - № 7. - С. 85-90.-0,3/0,1 п.л.

2. Итин А.Л., Колесников Ю.Л. Модель интегрально-оптического сенсора на основе акрилового гидрогеля // Перспективы науки. - 2014. - №10(61) - . -С. 53-65.-0,75/0,37 п.л.

3. Итин А.Л., Колесников Ю.Л., Демин A.B. Химические сенсоры: Методические указания по классификации, принципам работы и применению. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - 53 с. - 3,31/1,1 п.л.

4. Итин А.Л. Оценка потенциальных точностных и динамических характеристик химического сенсора на основе интехрально-оцшческой структуры // Сборник тезисов И Конгресса Молодых Ученых НИУ ИТМО.

- Санкт-Петербург, 2013. - Вып. 2. - С. 333-334. - 360 с. - ISBN 978-5-7577-0433-3.-0,1 п. л.

5. Итин Л.Л. Разработка схемотехнического решения для анализатора солей кобальта в воде // Сборник трудов II Международной научно-практической конференции Sensorica- 2014. - Санкт-Петербург, 2014. - 0,1 п.л.

6. Итин А.Л. Оценка потенциальных точностных и динамических характеристик химического сенсора на основе интегрально-оптической структуры // Сборник трудов I Международной научно-практической конференции Sensorica - 2013. - 2013. - С. 68-70. - 88 с. - ISBN 978-5-7577-0446-3.-0,1 п.л.

7. Итин А.Л. Малогабаритный оптикоэлектронный автоколлиматор И Сборник VII международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011». - 2011. - С. 492. - 721 с. - 0,1 пл.

8. Итин А.Л., Колесников Ю.Л., Демин A.B. Сенсор концентрации СОг в атмосфере на основе Фурье-спектрометра // Альманах научных работ молодых ученых XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО. - 2012. - С. 94-97. - 0,2/0,1 п.л.

9. Итин А.Л. Сенсор концентрации СОг в атмосфере на основе Фурье-спектрометра // XLI научная и учебно-методической конференция НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. - Вып. 2. - С. 47-49. - 0,2/0,1 п.л.

10.Itin A.L., Kolesnikov Y.L., Demin A.V. Sensor of C02 concentration in the atm. based on Fourier transform spectrometer. - 2012. - P. 333-334. - 352 p. - 0,2/0,1 п.л.

11. Итин А.Л. Сенсор концентрации СОг в атмосфере на основе Фурье-спекгрометра // Семнадцатая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. - Санкт-Петербург: Издательство РГТМУ, 2012. -С. 145.-230 с. 0,1 пл.

12.Итин А.Л. Дополнительное физическое образование школьников на базе инженерно-физического факультета НИУ ИТМО как средство повышения интереса школьников к инженерным специальностям // Физика в системе современного образования (ФССО-2013): материалы XII Международной научной конференции. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2013. - Т. П. - С. 57-59. -356 с. - ISBN 978-5-8021-1656-2. - 0,1 пл.

13.Итин А.Л. Методика привлечения школьников и абитуриентов к техническому образованию // Международная научно-практическая конференция Свет Петербурга. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 21-22. - 36 с. 0,1 пл.

14.Итин А.Л., Гладков И.Н. Разработка компьютерной модели определения коордипат объекта на многоэлементном фотоприемнике (ПЗС матрица) // Международная научно-практическая конференция Свет Петербурга. -2013. - С. 35-36. - 36 е.- 0,2/0,1 пл.

15.Итин А.Л., Гладков И.Н. Разработка алгоритма определения координат изображения на ПЗС-фотоприемнике // Сборник тезисов II Конгресса

Молодых Ученых НИУ ИТМО. - Санкт-Петербург, 2013. - Вып. 2. - С. 331332. - 360 с. - ISBN 978-5-7577-0433-3. - 0,2/0,1 п.л.

16.Итин A.J1., Гладков И.Н. Разработка виртуальной лабораторной работы по исследованию алгоритмов определения координат изображения на ПЗС-фотоприемнике // Сборник трудов П Всероссийского конгресса молодых ученых. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - С. 25-31. - 197 с. - ISBN 978-5-7577-0439-5. - 0,2/0,1 пл.

17.Итин A.JI., Гладков И.Н. Разработка алгоритма определения координат объекта на изображении, полученном с ПЗС-приемника // Сборник трудов I Международной научно-практической конференции Sensorica - 2013. -Санкт-Петербург, 2013. - С. 73-74. - 88 с. - ISBN 978-5-7577-0446-3. - 0,2/0,1 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.:+7 (812) 233-46-69 Объем 1,0 у.пл. Тираж 100 экз.

H-1489 1

2014341396