圖為桌山測試設施（Table Mountain Test Facility）中，科羅拉多大學的紅外激光器
（來源：科羅拉多大學博爾德分校的Sean coburn）
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國科羅拉多州博爾德市的獨立研究團隊公布了兩項使用激光頻率梳探測天然氣泄漏的新技術。
天然氣泄漏是能源行業(yè)的一個重大問題。天然氣泄漏除浪費天然氣外，還會對安全、公共衛(wèi)生及空氣質(zhì)量構(gòu)成嚴重威脅。甲烷既是天然氣的主要組成部分，也是一種強效溫室氣體。
目前，Nima Nader和同事在位于博爾德的美國國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST），共同研發(fā)了一款可用于探測氣體泄漏的新型激光芯片。與此同時，Gregory Rieker和同事在科羅拉多大學博爾德分校（the University of Colorado Boulder），也研發(fā)了一款紅外光譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)距離千米外就可探測出少量的甲烷。
天然氣探測所面臨的挑戰(zhàn)
雖然目前已有幾種監(jiān)測天然氣泄漏的技術，但各自都有缺陷。一種技術，是僅可在短距離內(nèi)感測甲烷的專用相機。然而，這種監(jiān)測過程屬于勞動密集型監(jiān)測，卻無法全面反映甲烷大面積泄漏的情況。另一種技術，是通過航空或衛(wèi)星的圖像顯示出數(shù)公里范圍內(nèi)的多個大面積泄漏的情況，但卻無法顯示出泄漏細節(jié)。另一個使用航空和衛(wèi)星圖像所存在的問題是，它們僅可提供單點時間的快照，而不能持續(xù)監(jiān)控。
目前，Nader和NIST的同事們已開發(fā)出一款新型中紅外激光光源芯片，該激光芯片可作為探測氣體泄漏的系統(tǒng)的重要部分。中紅外光可被包括甲烷在內(nèi)的許多有機分子吸收，因此可通過分析空氣吸收光譜，來揭示這些分子的存在。然而，目前中紅外光譜學正面臨著寬帶光源短缺、強噪聲和功率高的難題。
藍寶石上硅
為解決以上這些缺點，Nader的團隊制造了首個中紅外“雙頻梳（Dual－frequency combs）”芯片。為了打造這款激光器，研究人員精心設計了藍寶石上硅（silicon－on－sapphire）波導的幾何形狀和化學成分，這種波導可用于僅1平方厘米大小的芯片上。
雙頻梳是可產(chǎn)生兩束相干光束的低功率激光源。激光的每一個“梳齒”都是某個特定頻率的窄峰，并且分布在寬廣的頻率范圍內(nèi)，幾乎沒有噪聲。光的光譜性質(zhì)可以被調(diào)諧，這樣系統(tǒng)就可以用來研究不同的分子。
Nader解釋說，“激光源可完成光的遠距離傳播，因此無需直接接觸化學樣本，就可實現(xiàn)遠程研究。由于頻率梳是穩(wěn)定的激光源，可檢測到非常少量的化學物質(zhì)，因此它提高了探測化學物質(zhì)的靈敏度。”
定位泄漏
科羅拉多大學（University of Colorado）的團隊是首個在博爾德地區(qū)部署中紅外雙頻梳激光光譜儀的團隊。他們的最終計劃是建立一個監(jiān)測系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，可將多個激光源戰(zhàn)略性地部署在天然氣生產(chǎn)基地周圍，所有激光源均指向該基地中心位置的中紅外光譜儀。當該系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)與大氣模型相結(jié)合時，根據(jù)泄漏的氣體穿過光束路徑時產(chǎn)生的雙頻梳狀吸收光譜，可提供實時氣體濃度敏感指標。同時，依據(jù)該系統(tǒng)的分布特性還可確定泄漏的位置。
該研究團隊已對他們的探測系統(tǒng)進行了初步測試，研究人員說，相比現(xiàn)有監(jiān)測天然氣的方法，該系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。Rieker解釋道：“我們系統(tǒng)的監(jiān)測是自動的，因此可實現(xiàn)對某個區(qū)域的持續(xù)監(jiān)控。”重要的是，該系統(tǒng)對甲烷和水蒸氣微小的濃度變化也很敏感。Rieker補充說：“由于暴風雨開始時，空氣中的甲烷會被水蒸氣稀釋。因此小泄漏中甲烷濃度的變化與潮濕環(huán)境下甲烷的變化可能會一樣。激光頻率梳光譜學使我們能夠同時準確地測量水蒸氣和甲烷。這使我們可以對空氣中的水份進行校正，這對于探測大范圍內(nèi)甲烷含量的微量增加至關重要。”
科羅拉多大學的研究人員計劃進行了兩次實地測試。第一次測試：在位于離激光源一公里遠的地方，模擬了少量、實時變化的甲烷泄漏。該系統(tǒng)檢測到每分鐘1．6－8克的甲烷泄漏。這種甲烷的釋放速率與人類正常呼吸時呼出空氣的速度相當。第二次測試：建立可監(jiān)測有五個潛在泄漏點的天然氣生產(chǎn)場地的光束網(wǎng)絡。同樣，該系統(tǒng)不僅精確地探測出了兩個模擬泄漏點，還準確地指出了它們的位置。測試成功后，該團隊希望此系統(tǒng)能夠很快實現(xiàn)商業(yè)化。
科羅拉多大學的這項研究成果發(fā)表于《Optica》，NIST的研究發(fā)表于《APL Photonics》。
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