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
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
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. 20 15 10 5 exc = 266 nm pure PDMS SURFACE Operation Time (yrs) 0 21 10 exc = 266 nm 0.4 0.2 STOCK SIR Insulator SURFACE BULK 2 1 SIR Insulator Operation Time: 21 yrs BULK SURFACE 300 350 400 450 500 Wavelength (nm) 300 350 400 450 500 Wavelength (nm) Μέγιστο φθορισμού στα 320 nm (οφείλεται στο PDMS) και στα 420 450 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
Absorbance Φασματοσκοπία Υπερύθρου http://fy.chalmers.se/oldusers/brodin/molecularmotions/peospectrum.html Frequency, cm -1
Φασματοσκοπία Raman Μόριο ν AS ν 0 ν S Raman Shift (cm -1 ): v 0 -v S
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) x10 4 2.5 2.0 1.5 1.0 788 cm -1 : CH 3 SIR Insulators Operation Time (yrs) 0 21 10 1415 cm -1 : Si-CH 3 0.5 Intensity (Counts) x10 4 4 3 2 SIR Insulator Operation Time: 21 yrs BULK SURFACE 4 3 2 1 1 Intensity (Counts) x10 4 0.0 600 800 1000 1200 1400 Raman Shift (cm -1 ) 0 600 800 1000 1200 1400 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
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
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)
Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από Λέιζερ (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy/ LIBS)
Na Pb Intensity (a.u.) Cu/Zn Pb Cu Zn Cu Φάσμα LIBS 40000 30000 20000 10000 0 300 400 500 600 Wavelength (nm)
Πολυστοιχειακή Aνάλυση πολυμερικών μονωτήρων ΥΤ Άμεσος προσδιορισμός των στοιχείων του πολυμερικού περιβλήματος Intensity (Counts) x10 5 2.0 Si Silicone Rubber Nd:YAG laser ( =1064 nm) 1.5 1.0 C Mg Si Al CN Ca Ca Na 0.5 0.0 Si SiSi Si Ti Ti Ti Ti Ti Ti Ca 250 300 350 400 450 500 550 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 )
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 388 389 390 391 Wavelength (nm) Δεν παρατηρείται εκπομπή Si στους μονωτήρες EPDM
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 4 0.5 0.0 CN 388 389 390 391 Wavelength (nm) 2 0 CN 388 389 390 391 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
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 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 PDMS Insulators Operation time (yrs) 21 17 17 10 10 0 1258 cm -1 : Si-CH 3 0.0 0.4 0.3 μονωτήρων στο δίκτυο 0.2 0.1 1400 1200 1000 800 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. 0.0 1400 1200 1000 800 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.
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 21 45 ± 6 Όχι καλή 15 PDMS 17 59 ± 9 Όχι καλή 16 PDMS 17 32 ±18 Καλή 17 PDMS 10 38 ± 16 Καλή 18 PDMS 10 20 ± 14 Καλή Αν ΔR > 30%, τότε οι μονωτήρες είναι καταπονημένοι. Αν ΔR = 0-20%, τότε οι μονωτήρες είναι σε καλή κατάσταση.
R R R Αξιοπιστία Τεχνικής LIBS 0.2 0.1 0.2 0.1 ΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΤΟΙ ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ SIR SURFACE BULK 2 4 6 8 10 12 14 16 Stock Insulators 0.10 0.08 0.06 SIR ΜΟΝΩΤΗΡΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ 0.04 SIR Insulator (21 yrs old) 0.02 Bulk Surface 0 2 4 6 8 10 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
Τεχνική LIBS Εξ Αποστάσεως Υλικό Οπτικά Καθρέπτης Λέιζερ Al Τηλεσκόπιο Si Φασματόμετρο Si Ti Ti Ti Ti Al Ti CN Οπτική Ίνα Ανιχνευτής 300 320 340 360 380 Wavelength (nm)
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 1. Αρχικές Δοκιμές
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 2. Στο Εργαστήριο
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 2. Στο Εργαστήριο Δείγμα SIR Ηλικία (έτη) ΔR (%) 8UP 0 22 ± 14 14UP 21 63 ± 7 15UP 17 36 ± 5 16UP 17 61 ± 34 17UP 10 35 ± 14 18UP 10 21 ± 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
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 2. Στο Εργαστήριο ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΙΜΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΣΥΝΘΕΤΙΚΩΝ ΜΟΝΩΤΗΡΩΝ SIR 0.25 0.20 SIR Insulators Operation Time (yrs) 21 10 0 R SURFACE 0.15 0.10 0.05 0.00 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.
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 ± 0.02 0 14 ΠΑΛΑΙΟΣ (21) 0.04 ± 0.01 76 ± 8 15 ΠΑΛΑΙΟΣ (17) 0.05 ± 0.02 74 ± 9 16 ΠΑΛΑΙΟΣ (17) 0.07 ± 0.01 61 ± 8 17 ΠΑΛΑΙΟΣ (10) 0.09 ± 0.02 49 ± 12 18 ΠΑΛΑΙΟΣ (10) 0.21 ± 0.02 16 ± 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.
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 3. Στο ΠΕΔΙΟ Σταθμός Δοκιμών Υψηλής Τάσης (ΤΑΛΩΣ) του ΔΕΔΔΗΕ στα Λινοπεράματα Ηρακλείου
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 3. Στο ΠΕΔΙΟ Σταθμός Δοκιμών Υψηλής Τάσης (ΤΑΛΩΣ) του ΔΕΔΔΗΕ στα Λινοπεράματα Ηρακλείου
ΕΞ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΣ LIBS 3. Στο ΠΕΔΙΟ Intensity (Counts) x10 4 5 4 3 2 1 SIR CN Si 0 387 388 389 390 391 392 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.
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.
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
NASA s Mars Science Laboratory Launch : 26/11/2011 Landing : 06/08/2012 Curiosity Rover