• elettronica
• fotoacustica
• particolato
• sensore

In questo lavoro di tesi è stato progettato e caratterizzato un sensore per la rilevazione della concentrazione di particolato atmosferico di origine antropica, basato sull'utilizzo della tecnica fotoacustica.

Lo studio del particolato atmosferico ha attirato negli anni sempre maggiore interesse poiché sono diventate più evidenti le conseguenze negative di una sua eccessiva concentrazione nell'aria, sia dal punto di vista ecologico e climatico, che per gli effetti sulla salute umana. Ad esempio, alcune ricerche hanno mostrato che il particolato (Particulate Matter) fine può raggiungere il sangue e dunque tutti gli organi, inducendo mutazioni ereditarie,
asma, reazioni allergiche e tumori.
Dal punto di vista dei cambiamenti climatici, invece, la presenza di particolato causa una minore visibilità atmosferica e contribuisce al riscaldamento globale.

Per caratterizzare il particolato, vengono sfruttate alcune sue caratteristiche chimico fisiche, in particolare il fatto che il PM assorbe la radiazione, in un ampio spettro di lunghezze d'onda. Perciò, misurando il coefficiente di assorbimento, si può ricavare la concentrazione del particolato. Tra le tecniche esistenti, è stata scelta quella fotoacustica.
Essa sfrutta il fatto che l'assorbimento di radiazione laser modulata induce un periodico riscaldamento e raffreddamento delle molecole, i quali producono una
espansione e contrazione dell'aria, ovvero un'onda acustica. Se il fenomeno avviene all'interno di una cella che risuona alla frequenza di modulazione del laser, l'onda acustica generata interferisce costruttivamente con se stessa, creando un'onda stazionaria. L'ampiezza di quest'onda, rilevabile con un microfono affacciato sulla cavità, è linearmente proporzionale al coefficiente di assorbimento e quindi alla concentrazione di centri assorbitori.

La tecnica fotoacustica è stata scelta perché permette di rispettare i requisiti di portabilità dello strumento, facilità di gestione e basso consumo elettrico. Inoltre, potenzialmente, le celle fotoacustiche possono raggiungere delle buone sensibilità ed, avendo volumi molto piccoli, sono più selettive nei confronti del particolato fine nella scala di concentrazioni di interesse.

Si possono adottare varie configurazioni di cavità acustiche, di ognuna delle quali sono stati evidenziati vantaggi e svantaggi. La cavità realizzata è di tipo cilindrico ed è dotata di due filtri acustici ai lati che hanno lo scopo di isolare la cella acustica dai rumori. Il laser viene allineato con l'asse del cilindro, in modo da eccitare preferenzialmente uno dei modi di risonanza.
Partendo da questo schema generale, è stata studiata la variazione del rapporto segnale rumore, in funzione del raggio e della lunghezza della cavità, nonché della struttura del fascio laser, al fine di scegliere il dimensionamento ottimale della cella.
Quest'ultima è stata poi caratterizzata in termini di fattore di qualità e di rumori presenti.

La cavità viene gestita da una scheda elettronica che si occupa di vari compiti.
Essa controlla l'intensità del laser attraverso un sistema di feedback e modula la corrente che scorre nel diodo laser ad una frequenza che coincide con la risonanza della cavità. Infine, essa elabora il segnale proveniente dal microfono, che deve essere separato da rumori molto ampi. A questo scopo è stato implementato un lock-in che permette di separare la componente del segnale del microfono che è alla stessa frequenza della modulazione del laser e che contiene quindi le informazioni relative alla concentrazione di particolato.