從地球中提取天然氣並通過管道運輸的過程會釋放甲烷到大氣中. 甲烷是天然氣的主要成分, 是一種溫室氣體, 它對全球變暖的影響大約是二氧化碳的25倍, 這使其在俘獲大氣熱量方面非常有效. 一種新型的基於晶片的甲烷光譜儀, 它比一角硬幣還要小, 或許有一天能夠更高效, 更容易地監測大面積的甲烷泄漏.
來自紐約約克鎮IBM Thomas J. Watson研究中心的科學家研發出了一種新型甲烷光譜儀, 比現在的標準光譜儀體積更小, 製造成本更為經濟. 在光學學會的高影響因子雜誌《Optica》中, 研究人員詳細介紹了這種新型光譜儀, 並表明它可以檢測濃度低至萬分之一的甲烷氣體.
只需少量維護保養, 具有高抗衝擊力
這種光譜儀基於矽光子學技術, 這意味著它是由矽製成的光學器件, 即用於製造計算機晶片的材料. 由於可以使用與計算機晶片相同的高容量加工方法來製造這種基於晶片的甲烷光譜儀, 所以光譜儀連同外殼和電池或太陽能電源, 如果批量生產的話, 成本可能低至幾百美元數量.
IBM研究團隊的負責人William Green表示: '與今天市面上可用的甲烷檢測光學感測器好幾萬的成本相比, 大容量加工可以使得晶片光譜儀有了一個更重要的價值定位. ' '而且, 沒有可移動部件, 也沒有精確溫度控制的基本要求, 這種類型的感測器可以運轉多年而幾乎不需要維護. '
這種成本低廉且質量結實的光譜儀可以帶來令人興奮的新應用. 例如, IBM團隊正在與石油和天然氣行業的合作夥伴共同開展一個項目, 該項目將使用光譜儀來檢測甲烷泄漏, 避免了成千上萬個泄露地點的現場查找和修複, 可以節省公司的時間和金錢.
'在天然氣開採和配送過程中, 當井中的設備發生故障, 閥門卡住或管道出現裂縫時, 甲烷可能會泄漏到空氣中. '我們正在研究一種可以使用這種晶片光譜儀分布在井口上的感測器網路的方法. 例如, 這些感測器收集的數據將使用IBM的物理分析軟體進行處理, 可以自動確定泄漏的位置以及泄漏的體積. '
甲烷是一種微量氣體, 它佔地球大氣體積的不到1%. 雖然研究人員已經演示了甲烷檢測, 但還可以使用相同的方法來檢測其他個別微量氣體的存在. 它也可以同時用於多種氣體檢測.
'我們的長期願景是將這些類型的感測器併入人們每天都在使用的如手機或交通工具等家用事物中. 這些感測器可用於檢測汙染, 危險的一氧化碳含量水平或其他感興趣的分子. ' 研究團隊成員Eric Zhang說. '因為這種光譜儀提供了一個用於多物種檢測的平台, 有一天或許它也可以用於呼吸分析進行健康監測. '
縮小光譜儀
這種新裝置使用了一種稱為吸收光譜學的方法, 這種方法要求雷射處於被測分子唯一吸收的波長處. 在傳統的吸收光譜設置中, 雷射穿過空氣或自由空間, 直到到達探測器. 檢測到達探測器的光可以得出空氣中所關注的分子被吸收的量, 同時可以計算它們現在的濃度.
新系統採用了類似的方法, 但它不是自由空間裝置, 而是使雷射穿過一條狹窄的矽波導, 它是位於晶片上方長度為10厘米長的蛇形格局, 可以測定16平方毫米的範圍. 一些光被捕獲在波導內部, 而大約25%的光會延伸到矽的外部進入空氣中, 在那裡它可以與經過感測器波導附近的微量氣體分子相互作用. 研究人員使用近紅外雷射(1650納米波長)進行甲烷檢測.
為了提高設備的靈敏度, 研究人員仔細測量和控制了導致雜訊和假吸收訊號的因素, 微調了光譜儀的設計, 並確定了波導的幾何參數使其能夠產生令人滿意的結果.
並排比較
為了將新型光譜儀的性能與標準自由空間光譜儀的性能進行比較, 他們將設備放置在環境室中, 釋放並控制甲烷的濃度. 研究人員發現, 與自由空間設計相比, 基於晶片的光譜儀比同等水平自由空間感測器更加精確, 並且減少了75%與空氣相互作用的光. 此外, 晶片感測器的靈敏度通過甲烷濃度的最小可辨別範圍來量化, 並顯示出具有比其他實驗室研發的自由空間光譜儀更優越的性能.
'雖然矽光子學系統——特別是那些使用折射率變化的感測系統, 以前已經被探索, 但是我們工作的創新部分是使用這種類型的系統來檢測低濃度甲烷非常弱的吸收訊號, 和對我們感測器晶片雜訊和最小檢測閾值的綜合分析. '
當前版本的光譜儀需要光線通過光纖進出晶片. 然而, 研究人員正在努力將光源和檢測器併入到晶片上, 這將建立一個不需要光纖連接的本質上的電學設備. 與當前的自由空間感測器不同, 這種晶片型的不需要特殊的樣品或光學上的準備. 明年, 他們計劃通過將光譜儀放置在包括其他現成感測器的較大網路中進行現場測試.
'我們的工作表明, 矽光子學製造, 封裝和組件設計背後的所有知識都可以被帶入光學感測器領域, 完成大批量原則上是低成本的感測器加工, 最終能夠實現該技術的全新應用. ' Green說.
 |
|