Σύγχρονες Τεχνικές Λέιζερ στον Έλεγχο της Λειτουργικότητας Συνθετικών Μονωτήρων Προκλήσεις και Προοπτικές

Transcript

1 Σύγχρονες Τεχνικές Λέιζερ στον Έλεγχο της Λειτουργικότητας Συνθετικών Μονωτήρων Προκλήσεις και Προοπτικές Ο. Κοκκινάκη, Α. Κλίνη, Γ. Κατσοπρινάκης, Δ. Σοφικίτης, Κ. Καλπούζος, Δ. Άγγλος Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας

2 Σύνοψη Στόχος: Έλεγχος της Λειτουργικότητας Συνθετικών Μονωτήρων 1. ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ α. Φασματοσκοπία Φθορισμού επαγόμενου από Λέιζερ β. Φασματοσκοπία Raman γ. Φασματοσκοπία Πλάσματος επαγόμενου από Λέιζερ 2. ΕΠΙΛΟΓΗ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ 3. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ

3 Φασματοσκοπία LIF Συνθετικών Μονωτήρων SIR ΥΤ ΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΤΟΙ ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ SIR ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ SIR 1 Intensity (Counts) x10 5 Mean Intensity (x10 5 Counts) Ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα μόρια ενός υλικού, έπειτα από διέγερσή τους με φως λέιζερ χαμηλής έντασης exc = 266 nm pure PDMS SURFACE Operation Time (yrs) exc = 266 nm STOCK SIR Insulator SURFACE BULK 2 1 SIR Insulator Operation Time: 21 yrs BULK SURFACE Wavelength (nm) Wavelength (nm) Μέγιστο φθορισμού στα 320 nm (οφείλεται στο PDMS) και στα nm (οφείλεται σε προσμίξεις Αl 2 O 3 ) Στην επιφάνεια των SIR μονωτήρων του δικτύου της Κρήτης δεν παρατηρείται σημαντική διαφορά στο μήκος κύματος μεγίστης έντασης φθορισμού Μη συστηματική μεταβολή των φασματικών παραμέτρων ανάμεσα στην επιφάνεια και το εσωτερικό

4 Absorbance Φασματοσκοπία Υπερύθρου Frequency, cm -1

5 Φασματοσκοπία Raman Μόριο ν AS ν 0 ν S Raman Shift (cm -1 ): v 0 -v S

6 708 cm -1 : Si-C 1087 cm -1 : Si-O-Si 489 cm -1 : Si-O-Si Φασματοσκοπία Raman συνθετικών μονωτήρων ΥΤ Η τεχνική Raman βασίζεται στην ανίχνευση της ακτινοβολίας που σκεδάζεται από ένα υλικό έπειτα από διέγερση των δονητικών βαθμών ελευθερίας του με φως λέιζερ. Intensity (Counts) x cm -1 : CH 3 SIR Insulators Operation Time (yrs) cm -1 : Si-CH Intensity (Counts) x SIR Insulator Operation Time: 21 yrs BULK SURFACE Intensity (Counts) x Raman Shift (cm -1 ) Raman Shift (cm -1 ) 0 Ίδιοι τρόποι δόνησης παρατηρούνται ανάμεσα στους μονωτήρες SIR, με μικρές διαφοροποιήσεις στην ένταση σκέδασης Μη συστηματικές μετρήσεις Η τιμή της έντασης σκέδασης είναι ελαφρώς χαμηλότερη στην επιφάνεια από ότι στο εσωτερικό των μονωτήρων

7 Τεχνικές Φασματοσκοπίας LIF και Raman ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ : Μη καταστρεπτικές τεχνικές Παρέχουν δυνατότητα εφαρμογής στο πεδίο ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Οι μετρήσεις επηρεάζονται από: 1. Τραχύτητα επιφάνειας και 2. Επικαθήσεις ρύπων ΜΗ ΙΚΑΝΟΠΟΙΗΤΙΚΗ ΕΠΑΝΑΛΗΨΙΜΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

8 Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από Λέιζερ (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy/ LIBS) Λέιζερ + Ύλη Απορρόφηση Διέγερση Σχηματισμός Πλάσματος Εκπομπή Φωτός - Φάσμα Χημική πληροφορία (ατομική ή μοριακή σύσταση)

9 Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από Λέιζερ (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy/ LIBS)

10 Na Pb Intensity (a.u.) Cu/Zn Pb Cu Zn Cu Φάσμα LIBS Wavelength (nm)

11 Πολυστοιχειακή Aνάλυση πολυμερικών μονωτήρων ΥΤ Άμεσος προσδιορισμός των στοιχείων του πολυμερικού περιβλήματος Intensity (Counts) x Si Silicone Rubber Nd:YAG laser ( =1064 nm) C Mg Si Al CN Ca Ca Na Si SiSi Si Ti Ti Ti Ti Ti Ti Ca Wavelength (nm) C, CN, Si προέρχονται από το πολυμερές Mg, Al, Ti, Ca προέρχονται από προσμίξεις (π.χ. MgO, Al 2 O 3 3H 2 O, TiO 2, CaCO 3 )

12 Intensity (Counts) x10 4 Άμεσος Διαχωρισμός του Είδους των Μονωτήρων Ethylene Propylene Diene Monomer PolyDiMethylSiloxane (Silicone Rubber) 3 Si 2 Insulators PDMS (16 yrs old) EPDM (17 yrs old) 1 CN Ti Ti Wavelength (nm) Δεν παρατηρείται εκπομπή Si στους μονωτήρες EPDM

13 Φασματικός Δείκτης LIBS Intensity (Counts) x10 4 ΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΤΟΙ ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ SIR 1.5 Stock Insulator Bulk Surface Si 1.0 Intensity (Counts) x10 5 ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ SIR ΔΙΚΤΥΟΥ 6 Field Insulator (21 yrs old) Bulk Surface Si CN Wavelength (nm) 2 0 CN Wavelength (nm) R I CN I 388 Si 390 ΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΤΟΙ μονωτήρες SIR : R ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ = R ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ σχεδόν σταθερός (R Ref = 0.20 ± 0.02) Μονωτήρες SIR ΔΙΚΤΥΟΥ : R ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ < R ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ Στους μονωτήρες (SIR) δικτύου η τιμή του φασματικού δείκτη είναι συστηματικά χαμηλότερη στην επιφάνεια από ότι στο εσωτερικό

14 960 cm -1 : Al-OH Επιφανειακές Αλλαγές στη Χημική Σύσταση Absorbance 1015 cm -1 : Al-O 730 cm -1 : Al-O Absorbance 1060 cm -1 : Si-O-Si 1010 cm -1 : Si-O-Si 789 cm -1 : Si-O Μετρήσεις FTIR από συνεργάτες στο ΤΕΙ SURFACE PDMS Insulators Operation time (yrs) cm -1 : Si-CH μονωτήρων στο δίκτυο Wavenumber (cm -1 ) Insulator # (Operation time) 13 (16 yrs) 12 (17 yrs) Η απορρόφηση στα 1258 και 1060 cm -1 μειώνεται με το χρόνο λειτουργίας των => Απώλεια των CH 3 SURFACE ομάδων και αποσύνθεση της Si-O-Si πολυμερικής αλυσίδας Wavenumber (cm -1 ) Η μείωση της τιμής του φασματικού δείκτη LIBS στην επιφάνεια, σε σχέση με το εσωτερικό, για τους μονωτήρες δικτύου, οφείλεται στην απώλεια των CH 3 ως αποτέλεσμα της καταπόνησής τους.

15 Κριτήρια Αξιολόγησης Μονωτήρων SIR ΔR = 100 (R ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ R ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ )/R ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ (%) Μον. # Τύπος Πολυμερικής Χρόνος Λειτουργίας ΔR (%) Κατάσταση Μονωτήρα Αλυσίδας (έτη) 8 PDMS 0 5 ± 12 Καλή 14 PDMS ± 6 Όχι καλή 15 PDMS ± 9 Όχι καλή 16 PDMS ±18 Καλή 17 PDMS ± 16 Καλή 18 PDMS ± 14 Καλή Αν ΔR > 30%, τότε οι μονωτήρες είναι καταπονημένοι. Αν ΔR = 0-20%, τότε οι μονωτήρες είναι σε καλή κατάσταση.

16 R R R Αξιοπιστία Τεχνικής LIBS ΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΤΟΙ ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ SIR SURFACE BULK Stock Insulators SIR ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ 0.04 SIR Insulator (21 yrs old) 0.02 Bulk Surface Repetitions Ικανοποιητική επαναληψιμότητα της τιμής του φασματικού δείκτη. Σχετική τυπική απόκλιση της μέσης τιμής 10 μετρήσεων R : 5-10 %. H TEXNIKH LIBS ΚΡΙΝΕΤΑΙ Η ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΤΩΝ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ

17 Τεχνική LIBS Εξ Αποστάσεως Υλικό Οπτικά Καθρέπτης Λέιζερ Al Τηλεσκόπιο Si Φασματόμετρο Si Ti Ti Ti Ti Al Ti CN Οπτική Ίνα Ανιχνευτής Wavelength (nm)

18 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 1. Αρχικές Δοκιμές

19 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 2. Στο Εργαστήριο

20 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 2. Στο Εργαστήριο Δείγμα SIR Ηλικία (έτη) ΔR (%) 8UP 0 22 ± 14 14UP ± 7 15UP ± 5 16UP ± 34 17UP ± 14 18UP ± 10 ΔR = 100 (R ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ R ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ )/R ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ (%) Οι καταπονημένοι μονωτήρες παρουσιάζουν ΔR > 30%. Τα κριτήρια αξιολόγησης εξακολουθούν να ισχύουν. Μειονέκτημα: Ανέφικτη η χρήση των κριτηρίων για εφαρμογές στο πεδίο

21 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 2. Στο Εργαστήριο ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΙΜΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ SIR SIR Insulators Operation Time (yrs) R SURFACE Aug 23 Sep 5 Sep 10 Sep 11 Sep 12 Sep 13 Date Η τιμή του φασματικού δείκτη για τον παλαιό μονωτήρα είναι τις περισσότερες φορές μικρότερη της αντίστοιχης τιμής για το νέο μονωτήρα.

22 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS Εξαγωγή Νέων Κριτηρίων Αξιολόγησης ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΙΜΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ SIR dr = 100 (R ΠΑΛΑΙΟΣ - R ΝΕΟΣ )/R ΝΕΟΣ (%) Μονωτήρες SIR Ηλικία (έτη) R ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ dr (%) 8 ΝΕΟΣ (0) 0.18 ± ΠΑΛΑΙΟΣ (21) 0.04 ± ± 8 15 ΠΑΛΑΙΟΣ (17) 0.05 ± ± 9 16 ΠΑΛΑΙΟΣ (17) 0.07 ± ± 8 17 ΠΑΛΑΙΟΣ (10) 0.09 ± ± ΠΑΛΑΙΟΣ (10) 0.21 ± ± 18 Η ποσοστιαία διαφορά (dr) στην τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια μεταξύ νέου και παλαιού μονωτήρα είναι μεγαλύτερη από 40 % για τους καταπονημένους μονωτήρες.

23 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 3. Στο ΠΕΔΙΟ Σταθμός Δοκιμών Υψηλής Τάσης (ΤΑΛΩΣ) του ΔΕΔΔΗΕ στα Λινοπεράματα Ηρακλείου

24 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 3. Στο ΠΕΔΙΟ Σταθμός Δοκιμών Υψηλής Τάσης (ΤΑΛΩΣ) του ΔΕΔΔΗΕ στα Λινοπεράματα Ηρακλείου

25 ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 3. Στο ΠΕΔΙΟ Intensity (Counts) x SIR CN Si Wavelength (nm) ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΙ ΦΑΣΜΑΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ: R ΠΑΛΑΙΟΣ = 0.34 ± 0.03 R ΝΕΟΣ = 0.25 ± 0.01 % Διαφορά : dr = 26 ± 13 % Η ποσοστιαία διαφορά (dr) στην τιμή του φασματικού δείκτη στην επιφάνεια μεταξύ νέου και παλαιού μονωτήρα είναι μικρότερη από 40 %. => Ο παλαιός μονωτήρας είναι σε καλή κατάσταση.

26 Συμπεράσματα Η τεχνική LIBS: Παρουσιάζει υψηλή ευαισθησία στην ανίχνευση μικρών μεταβολών στη χημική σύσταση των παλαιών έναντι των νέων μονωτήρων. Είναι γρήγορη, αποτελεσματική και αξιόπιστη τεχνική στην αξιολόγηση της ποιότητας των μονωτήρων. Είναι εφαρμόσιμη από απόσταση και στο πεδίο. H καταλληλότερη διαγνωστική τεχνική για την αξιολόγηση της λειτουργικότητας των μονωτήρων σε πραγματικές συνθήκες.

27 ΠΡΟΟΠΤΙΚΗ: ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΥΠΑΡΧΟΥΣΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ 1. Ελικόπτερο (Drone) ή Ικρίωμα ή Γερανός και 2. Αυτοματοποιημένη Στόχευση και Συλλογή πλάσματος μέσω οπτικών ινών Η ΤΗΛΕ-ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ ΕΙΝΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΙΜΗ

28 NASA s Mars Science Laboratory Launch : 26/11/2011 Landing : 06/08/2012 Curiosity Rover

29