CC BY
75
По сводным результатам таблицы были построены графики зависимости коэффициента эллиптичности от изменений размеров осей в эллиптическом волноводе:
Замечается резкое ухудшения коэффициента эллиптичности на границах частотного диапазона.
Исследование показало, что поляризатор на эллиптическом волноводе имеет хорошие Б-параметры и КСВ.
Рисунок 7 - Графики зависимости коэффициента эллиптичности от изменений размеров осей в эллиптическом волноводе
Заключение.
По результатам проведения электродинамического моделирования можно сделать следующие выводы:
Рисунок 8 - Графики зависимости коэффициента эллиптичности от изменений размеров осей в эллиптическом волноводе
Поперечные размеры эллиптического волновода имеют большое влияние на коэффициент эллиптичности.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Ю. Кирсанов сборник статей «Малоизвестные развязывающие СВЧ приборы» 2014г.
2. http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/553/2 8553/117 6 6 [28.03.18]
3. https://elibrary.ru/item.asp?id=29852376 [28.03.18]
УДК 538.971
Якушова1 Н.Д., Крупкин1 Е.И. ■ , Пронин1 И.А., Сычев2 М.М., Мараева3 Е.В., Мошников3 В.А., Карманов1 А.А., Аверин1 И.А.
гФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», Санкт-Петербург, Россия
3ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», Санкт-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРОВ АДСОРБЦИИ ИНДИКАТОРНЫМ МЕТОДОМ НА ПРИМЕРЕ ОКСИДА ЦИНКА
Представлены результаты исследования химических свойств поверхности порошков оксида цинка посредством анализа распределения центров адсорбции (РЦА) индикаторным методом. Рассмотрен принцип исследования распределения центров адсорбции на основе изменения оптической плотности образцов порошков оксида цинка и раствором индикатора в воде. Разработаны методики подготовки образцов оксида цинка для исследования РЦА, выполнения измерений коэффициента пропускания с использованием спектрофотометра и обработки результатов эксперимента. Приведены результаты анализа поверхности оксида цинка: исследованы распределения центров адсорбции неразмолотого и механоактивированного оксида цинка с целью изучения химических свойств этих веществ для использования в качестве газочувствительных сенсоров. Установлена зависимость количества центров адсорбции с различными значениями кислотности от времени размола образцов оксида цинка. Ключевые слова:
АДСОРБЦИЯ, ОКСИД ЦИНКА, ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ, ИССЛЕДОВАНИЕ
В настоящее время одной из задач современной наноэлектроники является создание газочувствительных сенсоров нового поколения, которые должны точно определять состав окружающей их атмосферы. Большинство современных сенсоров могут чувствовать и распознавать лишь один вид газа. Поэтому область применения данных сенсоров является ограниченной. Например, сенсоры, определяющие концентрацию паров этилового спирта, используются, преимущественно, в алкотестерах. Современные тенденции датчикостроения направлены на создание мультисенсорных измерительных систем газового анализа, которые способны определять состав газовой системы. Поэтому разработка таких систем является перспективным направлением в наноэлектронике [1].
В последнее время разработаны различные способы создания газовых сенсоров на основе наноструктур полупроводниковых оксидов. Например, в статье [2] рассматриваются пути синтеза материалов для чувствительных элементов мультисенсор-ных систем золь-гель методом. Газочувствительные сенсоры нового поколения изготавливаются на основе оксидов металлов (например, оксида цинка ZnO, оксида железа (III) Fe2Ö3, оксида олова SnÜ2). Наноструктуры оксидов металлов обладают способностью адсорбировать различные газы из атмосферы в зависимости от их кислотно-основных
свойств. Именно поэтому для создания новых сенсоров очень важно изучить кислотно-основные свойства поверхности оксидов.
Очень перспективным материалом для создания газовых сенсоров является оксид цинка, так как он является многофункциональным прямозонным полупроводником с уникальными электрофизическими характеристиками. Именно поэтому находит широкое применение в различных устройствах нано - и микроэлектроники, в том числе и в адсорбционных сенсорах. Множество исследований посвящено изучению свойств оксида цинка. Так, в статье [3] приведены результаты исследований фотокатализаторов на основе оксида цинка с помощью ИК-спек-троскопии. Однако существует другой метод изучения свойств поверхности оксидов - изучение распределения центров адсорбции (РЦА) индикаторным методом [4]. Индикаторный метод является более простым в использовании и не менее точным, чем фотоэлектронная спектроскопия. Именно поэтому этот метод рассмотрен в данной статье.
Целью данного исследования является изучение методики выполнения исследования РЦА индикаторным методом.
Суть индикаторного метода исследования распределения центров адсорбции (РЦА) заключается в том, что различные кислотные и основные центры на поверхности твёрдого тела избирательно адсорбируют молекулы индикаторов. Согласно современ-
ной теории строения поверхности твердого вещества, вся поверхность состоит из основных центров Льюиса, которые в химических реакциях выступают донором электронной пары; кислотных центров Бренстеда, представляющих собой протон на поверхности твердого тела в различных координационных положениях; основных центров Бренстеда, представленных адсорбированными гидроксильными группами, и кислотных центров Льюиса, являющихся акцепторами электронной пары [5]. Мерой кислотности центров является величина сродства к водороду рКа. По этой шкале кислотно-основные центры имеют следующую кислотность:
- основные центры Льюиса: рКа < 0;
- кислотные центры Бренстеда: 0< рКа < 7;
- основные центры Бренстеда: 7<рКа< 14;
- кислотные центры Льюиса: рКа > 14.
Центры адсорбции обладают способностью избирательно адсорбировать индикаторы с соответствующим значением кислотности. С помощью спектро-фотометрии на длине волны, соответствующей максимуму поглощения раствора индикатора, можно определить количество адсорбированных молекул индикатора. Это количество будет равно количеству центров, имеющих такое же значение рКа, как и у индикатора.
Данные о количестве центров адсорбции с различным значением кислотности могут предсказывать особенности протекания физико-химических процессов на поверхности твердого тела [5].
Для измерения количества центров адсорбции с определенным значением кислотности необходимо приготовить три образца с использованием одного индикатора. Для этих образцов измеряются значения коэффициента пропускания с помощью спектрофотометра.
Для приготовления первого образца необходимо в пробирку насыпать навеску исследуемого вещества массой Ш1 ~ 20 - 25 мг и залить в нее строго определенный объем раствора индикатора Уинд. После установления адсорбционного равновесия, которое наступает примерно через 3 0 мин, в пробирку наливается вода так, чтобы объем жидкости в пробирке был равен 5 мл. После этого измеряется оптическая плотность Д.
Для приготовления второго образца заливается навеска массой Ш2 ~ 20 - 25 мг водой объемом 3 мл. Суспензия твердого вещества в воде отстаивается в течение длительного времени для того, чтобы исследуемое вещество осело. После этого вода без осадка сливается в другую пробирку, куда добавляется строго определенный объем раствора индикатора Уинд. Для этого образца через 30 мин измеряется значение оптической плотности Д.
Третий образец - раствор заданного объема индикатора ^инд в воде общим объемом 5 мл. Этот раствор выдерживается 30 мин, после чего для него измеряется значение оптической плотности Д [5].
В первом образце происходит адсорбция исследуемым веществом молекул индикатора и молекул
воды. Для того чтобы измерить количество адсорбированных молекул индикатора, необходимо учесть количество адсорбированных молекул воды. Именно для этого производится измерение второго образца. Третий образец нужен для сравнения значений Д и Д с По.
Для того чтобы получить более полную картину распределения центров адсорбции необходимо использовать большое количество индикаторов. Желательно применение более десяти различных индикаторов. При этом лучше использовать индикаторы из всех 4 групп кислотности, чтобы охватить все центры адсорбции, присутствующие на поверхности (кислотные и основные центры Бренстеда и Льюиса).
После приготовления образцов измеряются значения коэффициента пропускания Т1, Т2, То для каждого используемого индикатора. Для исследований необходимо использовать спектрофотометр (в работе использовался автоматизированный спектрофотометр СФ-56). В спектрофотометр для исследования помещаются эталонный образец с дистиллированной водой и исследуемый образец. С помощью специальной программы включается измерение коэффициента пропускания при длине волны, равной Аинд (каждому индикатору соответствует своя длина волны, при которой наблюдается максимум пропускания света). После измерения коэффициентов пропускания Т1, Т2, Т0 необходимо рассчитать значения оптической плотности образцов Д, Д и По для каждого индикатора по формуле:
Л =
(1)
д( рКа) =
Получив значения оптической плотности Д, Д и По, можно рассчитать количество центров д(рКа) для каждого значения кислотности использованных в эксперименте индикаторов по формуле:
Щ - А|± Щ - Щ Синд Ун , (2) т1 т2 Щ
где Синд - концентрация индикатора в растворе;
Кшд - объем индикатора, взятый для исследования;
Ш1, Ш2 - массы навесок исследуемого вещества в первом и во втором образцах;
Д, Д, По - значения оптической плотности первого, второго и третьего образцов.
На основе анализа полученных данных о количестве центров адсорбции построен график зависимости количества центров адсорбции от их кислотности. Этот график позволяет определить химические свойства, которые будет проявлять поверхность порошков оксида цинка при реакции с газообразными веществами. Например, на рисунке 1 представлена таблица значений количества центров адсорбции с различными значениями кислотности и графики РЦА для оксида цинка, не подвергавшегося механической обработке, и для оксида цинка, который размалывался в течение 2 ч и 4 ч.
Рисунок 1
РЦА оксида цинка ZnO (сплошная линия - неразмолотый оксид цинка; длинная пунктирная линия - время размола 2 ч; короткая пунктирная линия - 4 ч)
На первом графике представлено распределение центров адсорбции оксида цинка, который не подвергался механической обработке. Анализируя этот
график, можно прийти к выводу, что на поверхности немолотого оксида цинка преобладают кислоты
и основания Льюиса. Поверхность не подвергавшегося размолу оксида цинка можно представить в следующем виде:
...-гп-о-гп-о-гп-о-...
I I I I I I ...-о-гп-о-гп-о-гп -...
Основания Льюиса на поверхности оксида цинка имеют вид =/О2- в различных поверхностных позициях. Им соответствуют значения pKa, равные -4,4; -0,9; -0,3. Основания Льюиса в химических реакциях способны выступать донорами электронной пары, и за счёт этого они могут притягивать апротонные кислоты Льюиса или катионы В*. Также потенциально они могут притягивать молекулы воды по кислотному типу. При реакции с индикатором H-Ind идёт освобождение гидроксид-иона ОВ- из воды, которое приводит к увеличению рВ раствора. Основания Льюиса могут притягивать молекулы сероводорода H2S, хлорово-дорода HCl и другие молекулы газов, обладающих кислотными свойствами. Кислоты Льюиса имеют вид =/Zn2+. Им соответствует значение pKa, равное +14,2. В химических реакциях они принимают свободную электронную пару и притягивают основания Льюиса, гидроксид-ионы или воду по основному типу. При реакции с индикатором H-Ind идёт освобождение протона В+, которое приводит к уменьшению рВ раствора. Кислоты Льюиса могут реагировать на молекулы аммиака NH3.
На поверхности немолотого оксида цинка также присутствуют много центров Брёнстеда основного типа, которым соответствует значение pKa, равное + 12,8. Эти центры имеют вид =/ Zn2*-ОВ. При реакции с индикатором Ind- идёт освобождение гидрок-сид-иона ОН-, которое приводит к увеличению рВ раствора. На поверхности немолотого оксида цинка также присутствуют немногочисленные кислоты Брёнстеда, вида =/О2- - В.
При размоле оксида цинка в течение длительного времени идёт разрушение кристаллической решётки, которое приводит к перераспределению центров адсорбции. Структура поверхности принимает вид:
...-Zn-[ ]-Zn-0-[ ]-0-...
I I I I I
...-O-Zn-O-Zn-O-Zn-...
В результате деформации решётки появляются вакантные позиции вместо атомов цинка и кислорода. Это приводит к перераспределению центров адсорбции и изменению их характера.
Анализируя график РЦА оксида цинка, который размалывали в течение 2 часов, можно заметить,
что произошло увеличение количества кислот Льюиса (=/^п2+) и резкое уменьшение количества оснований Льюиса (=/О2-). Это можно удалением кислорода из кристаллической решётки. Распределение других центров адсорбции примерно осталось прежним.
Анализ графика РЦА оксида цинка, который размалывали 4 часов, показывает увеличение количества кислотных центров Льюиса, основных центров Брен-стеда с рКа, равным +12,8, и кислотных центров Бренстеда с рКа, равным +2,5. Это указывает на то, что при размалывании увеличилось количество оторванных атомов кислорода, и произошёл их переход в кислотные центры Бренстеда вида =/О-Н. Эти центры при реакции с индикатором Н-1пС дают катионы водорода Н+, которые уменьшают рН раствора.
Таким образом, можно сделать вывод, что при размоле оксида цинка происходит изменение распределения центров адсорбции на поверхности оксида. Однако количество кислот Льюиса и оснований Бренстеда, основанных на атоме цинка, остаётся стабильно большим. Также идёт уменьшение количества оснований Льюиса и увеличение числа кислот Бренстеда, основанных на атомах кислорода. Отсюда следует, что при размоле оксида цинка химические свойства поверхности меняются. Неразмолотый и механоактивированный оксид цинка будут по-разному реагировать на различные газы. Поэтому на основе оксида цинка с различным временем размола можно получить мультисенсорную интеллектуальную измерительную систему газового анализа.
Подводя итог, можно сделать вывод, что изучение распределения центров адсорбции позволяет предсказать химические свойства поверхности твёрдых веществ. Более удобным и дешёвым способом изучения РЦА является индикаторный метод, основанный на адсорбции молекул индикатора с различным значением кислотности. Этот метод позволяет с высокой точностью определить количество центров Брёнстеда и Льюиса на поверхности, что подтверждается результатами рентгеновской фотоэлектроскопии [4] . Изучение химических свойств поверхности очень важно для решения различных научных задач, например, для создания мультисенсорных систем анализа газов. Именно поэтому индикаторный метод изучения РЦА является очень интересным и важным направлением в науке.
Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Министерства образования и науки РФ в рамках проектной части государственного задания ПГУ № 16.897.2017/ПЧ, а также Стипендии Президента РФ СП-3800.2018.1.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аверин И. А., Пронин И. А., Печерская Р. М. Мультисенсорные газовые системы на основе нано-технологий и перспективы выхода на инновационный рынок //Труды Международного симпозиума «Надежность и качество» - 2011.
2. Карманов А. А. Особенности синтеза материалов для чувствительных элементов мультисенсорных систем золь -гель методом // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2 013. - Т. 2. - С. 115-118.
УДК 681.2.088
Ермаков1 Р.В., Кондратов2 Д.В., Львов1 А.А., Серанова1 А.А.
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Саратов, Россия 2Поволжский институт управления им. П.А. Столыпина, Саратов, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ПОГРЕШНОСТИ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА
Рассматривается модель вибрационной погрешности волнового твердотельного гироскопа. Волновые твердотельные гироскопы находят всё большее применение в технике, вытесняя устаревшие типы гироскопов. Основным их преимуществом перед приборами других типов является отсутствие движущихся частей и относительная простота конструкции при обеспечении достаточно высоких точностных показателей и широкого диапазона измеряемых угловых скоростей. Основным результатом работы является построенная модель, которая может служить основой для проверки экспериментальных данных конкретной модели волнового твердотельного гироскопа. Построенная модель позволяет производить оценку влияния вибраций на показания волнового твердотельного гироскопа на этапе разработки блоков на основе ВТГ исходя из сведений об уровне вибраций на целевом объекте. Ключевые слова:
ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЫЙ ГИРОСКОП, ВИБРАЦИЯ, ПОГРЕШНОСТЬ
