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美国科学家研制出一种中红外双频梳状激光光谱仪

日期:2019-02-05 作者:admin 来源:平台  

目前,NimaNader及其同事已在博尔德的国家标准与技术研究所(NIST)开发了一种用于检测气体泄漏的新型激光芯片。与此同时,科罗拉多大学博尔德分校的GregoryRieker及其同事也开发了一种红外光谱系统,可以探测距离一公里的少量甲烷。

美国科学家研制出一种中红外双频梳状激光光谱仪

天然气勘探面临挑战

虽然有几种监测天然气泄漏的技术,但每种技术都有其自身的缺点。一种技术是专用相机,它只能在短距离内感应甲烷。然而,这种监测过程是劳动密集型的,但并不能完全反映大面积的甲烷泄漏。另一种技术是在航空或卫星图像上显示多个大面积泄漏,但不显示泄漏细节。使用航空和卫星图像的另一个问题是它们仅提供单个时间点的快照而不是连续监视。

目前,Nader和NIST的同事已开发出一种新的中红外激光光源芯片,可用作检测气体泄漏的系统的重要部分。中红外光可以被许多有机分子吸收,包括甲烷,因此通过分析空气吸收光谱可以揭示这些分子的存在。然而,目前的中红外光谱正面临着宽带噪声源、强噪声和高功率的问题。

蓝宝石上的硅

为了解决这些缺点,Nader的团队创造了第一款中红外“双频梳”芯片。为了制造这种激光器,研究人员精心设计了蓝宝石上硅波导的几何形状和化学成分,可用于尺寸仅为1平方厘米的芯片。

双频梳是一种产生两个相干光束的低功率激光源。激光器的每个“梳状”是特定频率的窄峰值,并且在很宽的频率范围内分布而噪声很小。可以调节光的光谱特性,以便系统可以用于研究不同的分子。

Nader解释说,“激光光源可以完成光的长距离传播,因此可以在不直接接触化学样品的情况下进行远程研究。由于频率梳是稳定的激光源,因此可以检测到非常少量的化学物质,因此它得到改善。检测化学品的敏感性。“定位泄漏

科罗拉多大学团队是第一个在博尔德地区部署中红外双频梳状激光光谱仪的团队。他们的最终计划是建立一个监测系统,在该监测系统中,可以在天然气生产现场周围策略性地部署多个激光源,所有激光源都指向基地中心的中红外光谱仪。当系统的检测数据与大气模型组合时,可以基于泄漏的气体通过光束路径时产生的双频梳状吸收光谱提供实时气体浓度灵敏度指数。同时,可以基于系统的分布特征确定泄漏的位置。

研究小组对其检测系统进行了初步测试,研究人员表示,该系统与现有的天然气监测方法相比具有明显的优势。 Rieker解释说:“我们系统的监测是自动的,因此可以实现对某一区域的连续监测。”重要的是,该系统对甲烷和水蒸气浓度的微小变化也很敏感。里克补充道:“自风暴开始以来,空气中的甲烷被水蒸气稀释。因此,小泄漏中甲烷浓度的变化可能与潮湿环境中甲烷的变化相同。激光频率梳光谱使我们能够同时准确地测量水蒸气和甲烷。这使我们能够校准空气中的水分,这对于检测大范围甲烷含量的大幅增加至关重要。“

科罗拉多大学的研究人员计划进行两次现场测试。第一次测试:实时模拟少量的、甲烷泄漏,距离激光源一公里。该系统检测到每分钟1.6-8克的甲烷泄漏。这种甲烷释放速率与人体在正常呼吸期间呼出空气的速率相当。第二次测试:建立一个监测天然气生产点的梁网络,有五个潜在的泄漏点。同样,该系统不仅准确地检测到两个模拟泄漏,而且还准确地指出了它们的位置。测试成功后,团队希望系统能够快速商业化。

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