천연 가스를 지구에서 추출하여 파이프 라인을 통해 수송하는 과정은 메탄을 천연 가스의 주요 성분 인 대기로 방출하고 지구 온난화의 약 25 배에 해당하는 온실 가스이며, 대기 중 열은 매우 효과적입니다. 코너 동전보다 작은 새로운 칩 기반 메탄 분광계는 언젠가 더 많은 메탄 가스 누출 지역을보다 효율적으로 쉽게 모니터링 할 수 있습니다.
요크 타운의 과학자들은, 뉴욕 IBM 토마스 J. 왓슨 연구 센터는 "하기 Optica"의 광학 사회의 높은 피 인용 지수 저널에서. 생산 비용이 경제적이며, 지금 표준 분광 볼륨보다 작은 메탄 분석기의 새로운 유형을 개발, 연구자들은 새로운 분광계를 상세하게 기술하고 메탄 가스를 1 만분의 1로 검출 할 수 있음을 보여 주었다.
내충격 성과 내구성이 뛰어난 소량의 유지 보수
이 분광계는 실리콘 포토닉스를 기반으로합니다. 즉 실리콘 광학으로 만들어져 컴퓨터 칩 재료를 만드는 데 사용됩니다. 컴퓨터 칩을 사용하면이 칩 기반의 칩을 제조 할 때 동일한 대용량 처리 방법을 사용할 수 있습니다 메탄 분광계는 분광계와 함께 껍질과 배터리 또는 태양 광 발전과 함께 대량 생산되는 경우 비용이 몇 백 달러 정도 낮을 수 있습니다.
"현재 상용화 된 수만 가지의 메탄 탐지 광 센서 비용으로 대용량 가공으로 칩 분광계를보다 중요한 가치 제안으로 삼을 수 있습니다."IBM 연구팀 책임자 인 윌리엄 그린 (William Green)은 말했다. 가동 가능한 부품 및이 유형의 센서의 기본 요구 사항에 대한 정확한 온도 제어가 수 년 동안 거의 유지 보수가 필요하지 않습니다.
분광계이 비용 효율적이고 강력한 품질이 흥미로운 새로운 애플리케이션을 가져올 수 있습니다. 예를 들어, IBM 팀은 메탄 누출을 감지하는 분광계를 사용하는 공동 프로젝트를 수행 할 수있는 석유와 가스 산업 파트너들과 협력하고있다 피하기 위해 누출 된 사이트 수천명의 사이트를 찾아서 수리하면 회사의 시간과 비용을 절약 할 수 있습니다.
"천연 가스를 추출하고 분배하는 과정에서 우물에 장비가 고장 나거나 밸브가 막히거나 파이프가 부서지면 메탄이 공기 중으로 새어 나올 수 있습니다."우리는 우분투에서 칩 분광기를 분배 할 수있는 방법을 연구하고 있습니다 센서 네트워크, 예를 들어 이러한 센서로 수집 된 데이터는 IBM의 물리적 분석 소프트웨어를 사용하여 누출 위치와 누출량을 자동으로 결정합니다.
메탄은 지구의 대기 중 1 % 미만을 차지하는 가스의 흔적입니다. 연구원은 메탄 테스트를 입증했지만 동일한 방법을 사용하여 다른 개별 미량 가스의 존재를 탐지 할 수 있으며 동시에 사용할 수도 있습니다 가스 탐지.
우리의 장기 비전은 오염 물질, 위험한 수준의 일산화탄소 또는 기타 관심 분자를 탐지하는 데 사용할 수있는 휴대폰이나 차량과 같은 일상 생활에 이러한 유형의 센서를 통합하는 것입니다. "이 분광기는 다중 종 테스트를위한 플랫폼을 제공하기 때문에 언젠가 그것은 건강 모니터링을위한 호흡 분석에도 사용될 수 있습니다."라고 팀 멤버 인 Eric Zhang이 말했다.
분광계 감소
이 새로운 장치는 레이저가 흡착에 도달 할 때까지 레이저가 공기 또는 자유 공간을 통과하는 분자의 유일한 흡수 파장에 있어야한다는 흡수 분광법이라고하는 방법을 사용합니다 검출기에 도달하는 빛의 검출은 관심있는 공기 중의 분자의 양을 산출하고, 현재의 농도를 계산할 수있다.
새로운 시스템은 유사한 접근 방식을 사용하지만 여유 공간 장치는 아니지만 좁은 실리콘 도파관을 통한 레이저는 길이가 10cm 이상인 구불 구불 한 패턴 위에있는 칩에 위치하며 16 평방 밀리미터의 범위에서 측정 할 수 있습니다. 빛의 일부는 도파관 내부에 포착되고 약 25 %의 빛은 실리콘 외부로 공기 중으로 전파되어 센서 도파관을 통과하는 미량 기체 분자와 상호 작용할 수 있습니다. 연구원들은 근적외선 레이저 (파장 1650 nm ) 메탄 검출 용.
연구진은 장치의 감도를 향상시키기 위해 잡음 및 잘못된 흡수 신호를 유발하는 요소를 신중하게 측정 및 제어하고, 분광계의 설계를 미세 조정하고, 만족스러운 결과를 산출하기 위해 도파관의 기하학적 매개 변수를 결정했습니다.
나란히 비교
새로운 분광기의 성능을 표준 자유 공간 분광계의 성능과 비교하기 위해 주변 대기실에 장비를 배치하여 메탄의 농도를 방출 및 제어했으며 연구원들은 칩 기반 분광기가 자유 공간 디자인과 동일한 수준 이상인 것으로 나타났습니다 자유 공간 센서가 더 정확하고 공기 중 75 %의 상호 작용을 감소시킵니다. 또한 칩 센서의 감도는 메탄 농도의 최소 식별력으로 정량화되며 다른 연구소에서 개발 한 자유 공간 분광계보다 월등합니다 성능.
'실리콘 포토닉스 시스템이지만 - 굴절률 변화를 이용하여, 특히 감지 시스템, 이전 탐색했지만, 작업 혁신적인 부분 메탄 매우 약한 흡수 신호의 낮은 농도를 검출하는 이러한 형태의 시스템을 사용하고, 우리의 센서 칩 잡음 및 최소 검출 임계 값에 대한 포괄적 인 분석.
분광계의 현재 버전은 광이 칩을 통해 광섬유를 통해 흐르게해야합니다. 그러나 연구원들은 현재의 자유 공간 센서와 달리 광섬유 연결을 필요로하지 않는 기본적으로 전기 장치를 만드는 칩에 광원과 검출기를 통합하려고합니다. 이러한 유형의 칩은 특별한 샘플이나 광학 준비가 필요하지 않으며, 내년에는 필드 테스트를 위해 기성 센서를 포함한 대규모 네트워크에 분광계를 배치 할 계획입니다.
"우리의 연구는 실리콘 포토닉스, 패키징 및 부품 설계의 모든 지식을 광학 센서 분야에 적용 할 수 있다는 것을 보여 주며, 대량 대량 생산은 원칙적으로 저비용 센서 처리이며 궁극적으로는이 기술의 새로운 적용입니다." 그린은 말했다.
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