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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

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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.

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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

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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

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Montaje Experimental Montaje Experimental Lser 488nm, 532nm HORNO CRIOSTATO HORNO

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

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Termalizacin de los niveles de energa Energa (10 3 cm -1 )0 18 18,8 E1E1 E2E2 E3E3 RTRT < T < 400CT > 400C

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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

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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

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Luminiscencia y Temperatura Luminiscencia y Temperatura La tcnica FIR (Fluorescence Intesity Ratio) Se compara las reas de dos emisiones termalizadas

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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

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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

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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

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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

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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

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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?

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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

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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

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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

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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.

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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

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Resultados Experimentales Aumento de la sensibilidad debido a la matriz

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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?

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Resultados Experimentales Dependencia de la sensibilidad con la concentracin A mayor concentracin la ratio entre las reas es menor

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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

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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

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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.

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Muchas gracias por su atencin

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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

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FIR y Sensibilidad en funcin de la Presin Independiente de la Presin Dependiente de la Presin

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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

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Sensores pticos de Presin y Temperatura PRESIN A medida que la presin aumenta, la separacin energtica E 32 cambia haciendo al sensor ms sensible

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Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores pticos de Presin y Temperatura

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Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores pticos de Presin y Temperatura

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Comportamiento a bajas temperaturas del GSGG:Nd 3+ Sensores pticos de Presin y Temperatura

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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.

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Muchas gracias por su atencin