Desarrollo de nuevos materiales pticamente activos para
sensores de Temperatura Desarrollo de nuevos materiales pticamente
activos para sensores de Temperatura Grupo de Espectroscopa Lser y
Altas Presiones Departamento de Fsica Fundamental y Experimental.
Electrnica y Sistema. Universidad de la Laguna (ULL) Tenerife
Sergio Fabin Len Luis
Diapositiva 2
ndice ndice - Introduccin: Qu es un sensor ptico de
temperatura? - Montaje Experimental - Luminiscencia y Temperatura -
Termalizacin de los niveles de energa - La tcnica FIR (fluorescence
intensity ratio) - Sensibilidad a la temperatura - Desarrollo de
Sensores de Temperatura en la ULL - Estudio terico sobre la
sensibilidad y la temperatura -Qu iones pueden ser empleados? -
Resultados Experimentales - Sensores pticos de Presin y Temperatura
- Conclusiones.
Diapositiva 3
Qu es un sensor ptico de temperatura? (Xe) 4f N MEDIO ACTIVO=
MATRIZ (crIstal o vidrio) + IONES OPTICAMENTE ACTIVOSLANTNIDOS 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
Diapositiva 4
Qu es un sensor ptico de temperatura? Por qu desarrollar este
tipo de sensores frente a los convencionales? Independencia de
interferencia electromagnticas Rango amplio de trabajo Facilidad en
el diseo para simultanear varios sensores No est asociada a mejoras
en otros equipos auxiliares Costes de produccin bajos y rentables
Permite medidas in situ en experimentos bajo condiciones extremas
de presin y/o temperatura
Evolucin de las Poblaciones de cada nivel a RT E1E1 E2E2 E3E3
E4E4 EnEn E5E5 Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y
Temperatura
Diapositiva 7
Termalizacin de los niveles de energa Energa (10 3 cm -1 )0 18
18,8 E1E1 E2E2 E3E3 RTRT < T < 400CT > 400C
Diapositiva 8
Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura
Termalizacin de los niveles de energa Ley de Distribucin de
Poblaciones de Boltzman Cuando un in posee dos niveles de energa
muy prximos, la poblacin de iones que pueden promocionar al nivel
superior por medio de la energa trmica puede ser expresada por:
Ejemplo Poblacin 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
Diapositiva 9
Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura La
tcnica FIR (Fluorescence Intensity Ratio) Como la radiacin emitida
por una muestra se mide como una intensidad de corriente, dicha
intensidad se puede expresar en funcin de los ftones de la
siguiente manera: I= Intensidad N= Nmero de iones en un determinado
estado de excitacin h = energa del fotn asociado a la transicin A=
probabilidad de emisin espontnea = Branching ratio g= indica la
degeneracin del nivel (2j+1) Aunque tambin puede ser definida
como
Diapositiva 10
Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura La
tcnica FIR (Fluorescence Intesity Ratio) Se compara las reas de dos
emisiones termalizadas
Diapositiva 11
Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura
Sensibilidad a la Temperatura La sensibilidad es el valor que
indica lo rpida 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
Diapositiva 12
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL Estudio terico de la sensibilidad con la temperatura La FIR
permite determinar la temperatura mxima de trabajo de nuestro
sensor La diferencia de energa E 32 LIMITA el intervalo de
temperatura de mejor sensibilidad del sensor
Diapositiva 13
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL Estudio terico de la sensibilidad con la temperatura La FIR
permite determinar la temperatura mxima de trabajo de nuestro
sensor Independiendo del valor de la energa E 32, para muy bajas
temperaturas esta tcnica no sirve
Diapositiva 14
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL Estudio terico de la sensibilidad con la temperatura
Sensibilidad mxima del sensor Limite mximo de Temperatura E 32
Diapositiva 15
Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura Estudio
terico de la sensibilidad con la temperatura En cristales, la
separacin energtica de los niveles Stark es del orden de decenas de
cm -1 Excelentes sensores para bajas temperaturas En vidrios, la
separacin energtica de los niveles es del orden de centenares de cm
-1 Excelentes sensores para altas temperaturas
Diapositiva 16
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL Estudio terico 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 Cmo?
Diapositiva 17
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL FUERZA DE OSCILADOR PROBABILIDAD DE EMISIN ESPONTNEA El
conjunto de 3 parmetros de Judd-Ofelt ( 2, 4, 6 ) caracterizan las
contribuciones dipolares elctricas forzadas a probabilidades de
absorcin y emisin espontnea de fotones de un ion de tierra rara en
una matriz determinada
Diapositiva 18
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL Estudio terico de la sensibilidad con la temperatura La Teora
de Judd-Ofelt responde a esa pregunta Erbio: Neodimio:
Seleccionando una matriz con parmetros de Judd-Ofelt adecuados
somos capaces de mejorar la sensibilidad
Diapositiva 19
Qu iones pueden ser empleados? Qu 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
Diapositiva 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 eleccin de
un material con buenos coeficientes de Judd-Ofelt, hace que la
sensibilidad aumente tanto para vidrios como cristales.
Diapositiva 21
Resultados Experimentales con Iones Er 3+ Aumento de la
sensibilidad debido a la matriz Las muestras estudiadas presenta la
misma composin (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 trmico sobre los iones Er 3+ y, por tanto, la variacin
de los coeficientes de Judd-Ofelt hace que su respuesta a la
temperatura sea menor. VidrioVitrocermico
Diapositiva 22
Resultados Experimentales Aumento de la sensibilidad debido a
la matriz
Diapositiva 23
Desarrollo de Sensores en la ULL Desarrollo de Sensores en la
ULL Estudio experimental de la sensibilidad con la temperatura
Afecta la concentracin de iones pticamente activos en la
sensibilidad con la temperatura?
Diapositiva 24
Resultados Experimentales Dependencia de la sensibilidad con la
concentracin A mayor concentracin la ratio entre las reas es
menor
Diapositiva 25
Resultados Experimentales Dependencia de la sensibilidad con la
concentracin de Er 3+ A menor concentracin de dopante la
sensibilidad aumenta y se ajusta mejor al valor terico
Diapositiva 26
Resultados Experimentales Mejor sensor de Temperatura: Vidrio
CaO-Al 2 O 3 :Er 3+ 0.01 mol% Combinando una matriz con parmetros
de Judd-Ofelt altos y bajas concentraciones se pueden llegar a
tener sensores de una alta sensibilidad
Diapositiva 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 mxima 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 eleccin
correcta de los parmetros de Judd-Ofelt permite mejorar la
sensibilidad Se ha comprobado que a menor concentracin de dopante
empleada la sensibilidad aumenta.
Diapositiva 28
Muchas gracias por su atencin
Diapositiva 29
GSGG:Nd 3+ (Gd 3 Ga 3 Sc 2 O 12 ) Espectros de emisin
correspondiente a la transicin 4 F 3/2 4 I 9/2 y desplazamiento de
las lineas R 1,R 2 Z 5 obtenido bajo presin para GSGG:Nd 3+ R 2 Z 5
-1.01cm -1 /Kbar R 1 Z 5 -0.788cm -1 /Kbar Sensores pticos de
Presin y Temperatura
Diapositiva 30
FIR y Sensibilidad en funcin de la Presin Independiente de la
Presin Dependiente de la Presin
Diapositiva 31
Sensores pticos de Presin y Temperatura FIR y Sensibilidad en
funcin de la Presin E 3 = R 1 Z 5 = 10740cm -1 E 2 = R 2 Z 5 =
10680cm -1 E 32 = 60cm -1 (P=0) E 3 (P) = R 1 Z 5 =10740 - 1.01cm
-1 /Kbar E 2 (P) = R 2 Z 5 =10680 - 0.788cm -1 /Kbar E 32 (P)=E 3
(P) E 2 (P)=(10740-10680)+ +(-1.01+0.788)cm -1 /Kbar E 32 =60cm -1
+ 0.222cm -1 /Kbar
Diapositiva 32
Sensores pticos de Presin y Temperatura PRESIN A medida que la
presin aumenta, la separacin energtica E 32 cambia haciendo al
sensor ms sensible
Diapositiva 33
Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores
pticos de Presin y Temperatura
Diapositiva 34
Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores
pticos de Presin y Temperatura
Diapositiva 35
Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores
pticos de Presin y Temperatura
Diapositiva 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
concentracin provoca una disminucin en la sensibilidad, y por otra
parte, la eleccin de una matriz con unos correctos coeficientes de
Judd-Ofelt, segn el dopante empleado, permite del mismo modo
mejorar la concentracin. Se ha comprobado que los cristales garnet,
estudiados en un principio, como candidatos a sensores de presin
permiten su uso simultaneo como sensores de temperatura.
Obteniendose, por tanto, sensores P-T. Se propone una ecuacin para
los sensores P-T.