23293

ساخت و ارزيابي حسگر فيبري ميدان مغناطيسي با پوشش هيبريدي گرافن-مگنتيت

كارشناسي ارشد

نانوفناوري - نانومواد

1399

1399/11/29

دكتر ميثم جلالي

دكتر محمد واحدي

فناوري هاي نوين

استفاده از مواد مغناطيسي (مواد پاسخ‌دهنده به ميدان مغناطيسي و تغييرات آن) به عنوان حسگر تغييرات در صنايع مختلف بدليل گسترش فناوري نانو مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به پيشرفت فناوري فيبر نوري در سال‌هاي اخير بدليل سبك بودن، طول عمر مفيد بالا، ابعاد كوچك، عمق نفوذ بالا و تطبيق با انواع محيط‌ها، رده حسگرهاي ميدان مغناطيسي مبتني بر فيبر نوري بدليل كاربردهاي ويژه در علوم پزشكي، كنترل، مطالعه زمين و ... مورد توجه قرار گرفته‌اند. با توجه به خواص ابرپارامغناطيسي نانوذرات مگنتيت و خواص نوري و منحصربه‌فرد گرافن اكسيد، در اين تحقيق، حسگرهاي ميدان مغناطيسي مبتني بر شدت نور ساخته شده است كه با پوشش گرافن-مگنتيت، مورد بررسي قرار گرفته‌اند. هيبريد گرافن-مگنتيت به روش اختلاط ساده بدليل وجود بارهاي الكترواستاتيك غيرهمنام (علامت) در گرافن اكسيد و مگنتيت، سنتز شده است. فيبرهاي نوري تك‌مد به روش گرما-كششي توسط سيستم نازك‌سازي ساخته شده، به قطرهاي حدود μm 3.3 تا μm12.8 در طول‌هاي نازك‌شدگي از mm6.8 تا mm11 ساخته شده‌ شده‌اند. با لايه‌نشاني گرافن-مگنتيت به روش قطره انداختن در منطقه نازك شده، حسگرها به ميدان مغناطيسي حساس شده‌اند كه حساسيت‌ (nW/mT ) 98.7 تا (nW/mT ) 324 در طول موج ليزر nm1550 و محدوده چگالي شار مغناطيسي 0 تا mT60، بدست آمده است. ميدان مغناطيسي كاليبره شده، توسط پيچه‌هاي مغناطيسي اعمال شده‌اند. آناليزهاي SEM ، TEM ، پردازش تصوير و نتايج چيدمان سنجش نيز مورد بررسي قرار گرفته‌اند. با توجه به آزمايش‌هاي صورت گرفته، افزايش طول ناحيه نازك شده، تاثير خطي در افزايش حساسيت حسگرها داشته است زيرا در اثر خواص مغناطيسي گرافن اكسيد و نانوذرات مگنتيت، تعامل بيشتري با ميدان ميرا و محيط صورت گرفته است اما توان خروجي حسگرها با افزايش طول نازك شدگي، رابطه نمايي-كاهشي دارد و محدوديت حساسيت حسگر سنجش توان، عامل محدوديت افزايش طول خواهد بود. همچنين با كاهش قطر نازك‌شدگي، بدليل نفوذ بيشتر ميدان ميرا، حساسيت حسگرها افزايش مي‌يابد. بدليل استفاده از سنجش توان نور، از نظر صنعتي حسگرهاي ساخته شده داراي توجيه اقتصادي هستند و مي‌توانند به عنوان حسگرهاي تشخيص اجسام، تعيين خواص مغناطيسي مواد، شناسايي بيومواد مغناطيسي، تشخيص نابهنجاري‌هاي مغناطيسي، تسلامتر اپتيكي و ... در صنايع هوافضا، نفت و گاز، تجهيزات پزشكي، معادن و ... استفاده شوند.

1399/12/09

Manufacturing and evaluation of optical fiber based magnetic field sensor containing graphene-magnetite hybrid coating

2/18/2022 12:00:00 AM

The use of magnetic materials (materials that respond to the magnetic field and its changes) as a sensor of changes in various industries due to the development of nanotechnology has been considered. Due to the advancement of optical fiber technology in recent years because of its light weight, long useful life, small size, high penetration depth and adaptability to a variety of environments, the field of fiber optic magnetic field sensors with special applications in medical sciences, control, earth study and etc. have been considered. Due to the superparamagnetic properties of magnetite nanoparticles and the unique optical properties of graphene oxide, in this research, magnetic field sensors based on light intensity made with graphene-magnetite coating have been investigated. Graphene-magnetite hybrid has been synthesized by simple mixing method due to the presence of different (sign) electrostatic charges in graphene oxide and magnetite. Single-mode optical fibers are tapered by heat-tensile method with manufactured tapering system to diameters of about 3.3 μm to 12.8 μm in tapering lengths from 6.8 mm to 11 mm. By graphene-magnetite coating with drop casting on the tapered region, the sensors are sensitized to a magnetic field with a sensitivity of 98.7 (nW / mT) to 324 (nW / mT) at a laser wavelength of 1550 nm and a magnetic flux density range of 0 to 60 mT. Calibrated magnetic field is applied by magnetic coils. Analysis of SEM, TEM, image processing, setup layout and results have also been reviewed. According to the experiments, increasing the length of the tapered area has a linear effect on increasing the sensitivity of the sensors because due to the magnetic properties of graphene oxide and magnetite nanoparticles, more interaction with the evanescent field and the environment is created but the output power of sensors with increasing of tapering length has an exponential-decreasing relationship and the limitation of the sensitivity of the power sensor will be the limiting factor of increasing the length. Also, by reducing the diameter of the tapering, due to the greater penetration of the evanescence field, the sensitivity of the sensors increases. Due to the use of light power measurement, manufactured sensors are economically feasible and can be used as sensors to detect objects, determine the magnetic properties of materials, magnetic biomaterials detection, magnetic anomaly detection, optical teslameter and etc. in the aerospace, oil and gas, medical equipment, mines and etc. industries.

فيبر نوري نازك شده، حسگر ميدان مغناطيسي، عمق نفوذ، ميدان ميرا

Tapered optical fiber, magnetic field sensor, evanescent field