Новые нанотермометры на основе шпинели
Точное измерение температуры в экстремальных условиях — внутри реактивных двигателей, в зонах химических реакторов или в труднодоступных узлах энергоустановок — до сих пор остается сложной инженерной задачей.
Контактные датчики там не работают, а оптические методы, основанные на анализе свечения материалов, часто упираются в ограничения: узкий рабочий диапазон или недостаточная чувствительность. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета совместно с коллегами из СПбГУ предложили решение, которое позволяет преодолеть эти барьеры. В основе работы — наночастицы магниевой шпинели, активированные ионами самария. Результаты опубликованы в журнале Ceramics International (квартиль Q1).
Авторы синтезировали серию порошков с разной концентрацией самария по модифицированному методу Печини. Рентгеновский анализ показал, что все образцы имеют чистую кубическую структуру шпинели без посторонних фаз. Частицы получились преимущественно сферическими, размером 30–50 нанометров, причем увеличение доли самария практически не меняет их форму и размеры, а лишь закономерно увеличивает параметр кристаллической решетки. Методом спектроскопии ученые определили оптимальную концентрацию активатора — 1 атомный процент. Дальнейший рост содержания самария приводит к тушению люминесценции, и механизм этого процесса авторы установили: он связан с переносом энергии между ближайшими ионами и последующим безызлучательным гашением на дефектах решетки.
Главное достижение работы — создание двухрежимного оптического термометра на основе одного материала. Ученые использовали два независимых отношения интенсивностей свечения. Первый канал основан на сравнении излучения самой кристаллической решетки шпинели и ионов самария — он обеспечивает высокую чувствительность в области повышенных температур. Второй канал построен на отношении двух переходов внутри самого иона самария: он уступает первому в чувствительности, но работает в сверхшироком диапазоне — от криогенных температур до 450 °С. Два режима дополняют друг друга: один дает максимальную точность в «горячей» зоне, другой — надежность во всем диапазоне. Такая двухрежимная архитектура расширяет рабочий интервал термометра и делает измерения устойчивыми к внешним помехам, например к колебаниям мощности возбуждающего лазера.
