Введение к работе
Актуальность темы. Проблема мониторинга окружающей среды в настоящее время приобрела исключительную важность в связи с ухудшением общей экологической ситуации. Нарастающее загрязнение атмосферы не только вблизи предприятий нефтеперерабатывающей и химической промышленности, но и в жилых районах, приводит к необходимости создания дешевых газовых сенсоров, обладающих высокой чувствительностью к присутствию следовых количеств различных токсичных газов. Среди широкого круга экологических проблем задача определения содержания H2S стоит особенно остро, что связано с высокой токсичностью сероводорода. Значения предельно допустимых концентраций (ПДК) сероводорода в атмосфере составляют 10 мг/м3 для рабочей зоны и 1 - мг/м3 для жилой зоны, что значительно ниже значений ПДК для большинства других токсичных газов. Сложность обнаружения H2S газовыми сенсорами связана с эффектом маскировки, так как обычно он сопровождается другими газами — восстановителями (Н2, СН4, S02), которые присутствуют в значительно большей концентрации. В связи с этим при разработке газовых сенсоров на сероводород наряду с высокой чувствительностью материала не менее важным является повышение его селективности.
В последние годы, во многих странах мира, таких как США, Япония, Франция, Германия, Италия, а также в России, разработке полупроводниковых сенсоров уделяется значительное внимание. Однако к настоящему времени проблема создания чувствительного и селективного полупроводникового газового сенсора на серосодержащие газы остается открытой. К моменту начала настоящей работы в литературе обнаружено ограниченное число публикаций, посвященных проблеме создания полупроводниковых газовых сенсоров на серосодержащие газы. Промышленно выпускается небольшое число полупроводниковых сенсоров, в частности на основе Sn02, кроме того, предложено использовать в качестве сенсоров на H2S тонкие пленки и нанокристаллические материалы на основе W03. Основными причинами ограниченного внедрения в промышленное производство полупроводниковых сенсоров на серосодержащие газы, несмотря на их высокую чувствительность, являются недостаточная селективность, высокая рабочая температура и чувствительность к влажности атмосферы. Ограничение по рабочей температуре связано с опасностью взрывов при анализе природных газовых смесей, обогащенных водородом и углеводородами.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ j БИБЛИОТЕКА
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод об актуальности задачи разработки датчиков и приборов для контроля сероводорода, сочетающих наряду с достаточной чувствительностью, селективностью и стабильностью параметров низкую рабочую температуру и стоимость.
Целью диссертационной работы является разработка способа изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида п-GaAs/p-CuPc, его исследование и создание приборов для контроля FbS в воздухе производственных помещений. В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие основные задачи:
-
Разработать способ изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида n-GaAs/p-CuPc.
-
Исследовать влияние режимов работы датчика сероводорода в среде производственных помещений на его фото-э.д.с. и чувствительность.
-
Разработать теоретические модели, устанавливающие взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с концентрацией сероводорода и рабочей температурой.
-
Разработать экспериментальные модели, устанавливающие взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с температурой, концентрацией и временем воздействия сероводорода.
-
Исследовать процессы функционирования и деградации датчика концентрации сероводорода в условиях производственных помещений.
-
Разработать приборы для контроля сероводорода в воздухе производственных помещений на основе датчика с гетеропереходом вида п-GaAs/p-CuPc.
Методы исследования.
Представленные в работе теоретические исследования проведены с использованием зонной теории твердых тел, раздела "Фотоэлектрические явления" физики полупроводников и теории адсорбции. При обработке экспериментальных данных использовался метод статистического планирования эксперимента.
Научная новизна.
1. Разработан способ изготовления датчика сероводорода на основе
гетероперехода вида n-GaAs/p-CuPc, позволяющий упростить техноло
гию изготовления и снизить рабочую температуру. Способ изготовле
ния защищен патентом [11].
2. Разработана теоретическая модель, устанавливающая взаимо
связь фото-э.д.с. датчика с концентрацией сероводорода и рабочей тем
пературой.
3. Исследованы процессы функционирования и деградации разра
ботанного датчика вида n-GaAs/p-CuPc.
Практическая ценность.
1. Предложен способ измерения концентрации сероводорода в воз
духе, сочетающий наряду с высокой чувствительностью, селективно
стью и стабильностью измерений низкую рабочую температуру датчика
(от10до40С).
2. Разработаны экспериментальные модели, устанавливающие
взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с температурой,
концентрацией и временем воздействия сероводорода.
3. На основе датчика вида n-GaAs/p-CuPc разработаны прибор и
многоканальная система для контроля содержания сероводорода в воз
духе производственных помещений. Разработаны принципиальные
электрические схемы устройств. Применение данных технических
средств дает возможность точно, оперативно и безопасно осуществлять
контроль концентрации сероводорода для своевременного принятия мер
по обеспечению безопасных условий труда человека.
Реализация работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и создании измерителя концентрации сероводорода и реализованы при контроле сероводорода на компрессорной станции №17 Грязовецкого линейного производственного управления магистральных газопроводов.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены на ГХ-международном молодежном экологическом форуме стран балтийского региона "Экобал-тика'2002", Санкт-Петербург, 21-23 октября 2002 г.; на Второй международной научно-технической конференции, Вологда, ВоГТУ, 2003; на Всероссийской научно-практической конференции "Энергетика, экология, экономика средних и малых городов. Проблемы и пути их решения", 2003; на III региональной межвузовской научно-технической конференции "Вузовская наука региону", Вологда, ВоГТУ, 2002; на Всероссийском научно-техническом семинаре "Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф", г. Пенза, 2004; в журнале "Сенсор", 2002г., №1; на заседаниях кафедры электрооборудования ВоГТУ в 2001-2004 г.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 9 печатных трудах. Способ изготовления датчика сероводорода защищен патентом на изобретение [17].
По смежным направлениям исследований опубликовано 9 работ, из которых 1 патент, 1 свидетельство на полезную модель, 1 статья в журнале "ПТЭ" РАН. Работа "Исследование и разработка устройств для
контроля аммиака" удостоена государственной молодежной премии Вологодской области по науке и технике за 1998 г. Положения, выносимые на защиту.
-
Способ изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида n-GaAs/p-CuPc.
-
Теоретические и экспериментальные модели, описывающие основные закономерности процессов функционирования датчика сероводорода на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc.
3. Схемы и характеристики технических средств для измерения
концентрации сероводорода в воздухе производственных помещений,
позволяющих уменьшить температуру чувствительного датчика до тем
пературы окружающей среды.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 30 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 142 наименования.
