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基于芯片的微型甲烷光谱仪有助于减少温室气体排放

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发表于 2019-9-14 02:46:57 |显示全部楼层
  从地下提取天然气或通过管道输送天然气的过程可以将甲烷释放到大气中。甲烷是天然气的主要成分,是一种温室气体,其升温潜能大约是二氧化碳的25倍,因此非常有效地捕获大气热能。一种新的基于芯片的甲烷光谱仪,小于一角钱,有朝一日可以更容易地监测大面积的效率和泄漏。
  来自纽约Yorktown Heights的IBM Thomas J. Watson研究中心的科学家们开发出了新的甲烷光谱仪,它比现在的标准光谱仪小,制造起来更经济。在光学学会的高影响力研究期刊Optica中,研究人员详细介绍了新的光谱仪,并表明它可以检测浓度低至百万分之100的甲烷。
  光谱仪基于硅光子技术,这意味着它是由硅制成的光学器件,用于制造计算机芯片的材料。因为用于计算机芯片的相同大批量制造方法可用于制造基于芯片的甲烷光谱仪,所以如果大量生产,光谱仪连同外壳和电池或太阳能电源可能花费几百美元数量。
  “与目前商用的甲烷检测光学传感器相比,成本高达数万美元,批量制造将转化为芯片光谱仪的重要价值主张,”IBM研究团队负责人William Green表示。“此外,由于没有活动部件,也没有精确温度控制的基本要求,这种类型的传感器可以运行多年,几乎不需要维护。”
  这种低成本,强大的光谱仪可以带来激动人心的新应用。例如,IBM团队正在与石油和天然气行业的合作伙伴合作开展一个项目,该项目将使用光谱仪检测甲烷泄漏,从而节省公司使用数千人的现场检查来查找和修复泄漏所需的时间和金钱的网站。
  “在天然气开采和分配过程中,当井上设备出现故障,阀门卡住或管道出现裂缝时,甲烷会泄漏到空气中,”格林说。“我们正在开发一种方法来利用这种芯片上的光谱仪来创建一个可以分布在井场上的传感器网络。来自这些传感器的数据将使用IBM的物理分析软件进行处理,以自动查明泄漏的位置以及量化泄漏量。“
  甲烷是一种微量气体,对气体的分类不到地球大气体积的1%。尽管研究人员展示了甲烷检测,但同样的方法也可用于检测其他单个痕量气体的存在。它还可以用于同时检测多种气体。
  “我们的长期愿景是将这些类型的传感器整合到家庭和人们每天使用的东西中,例如他们的手机或车辆。它们可用于检测污染,危险的一氧化碳水平或其他感兴趣的分子,” Eric Zhang,研究团队成员。“因为这个光谱仪为多种类检测提供了一个平台,它有一天也可以通过呼吸分析用于健康监测。”
  新设备使用称为吸收光谱的方法,其需要被测量分子唯一吸收的波长的激光。在传统的吸收光谱设置中,激光穿过空气或自由空间,直到它到达探测器。测量到达探测器的光会显示空气中感兴趣的分子吸收多少光,并可用于计算它们的浓度。
  新系统采用了类似的方法,但激光器不是自由空间设置,而是通过一个窄的硅波导,在一块16平方毫米的芯片顶部沿着10厘米长的蛇形图案。一些光被捕获在波导内部,而大约25%的光在硅外部延伸到环境空气中,在那里它可以与通过传感器波导附近的痕量气体分子相互作用。研究人员使用近红外激光(1650纳米波长)进行甲烷检测。
  为了提高设备的灵敏度,研究人员仔细测量和控制了导致噪声和假吸收信号的因素,微调了光谱仪的设计并确定了可产生有利结果的波导几何参数。
  为了将新光谱仪的性能与标准自由空间光谱仪的性能进行比较,他们将这些设备放入环境室并释放受控浓度的甲烷。研究人员发现,与自由空间设计相比,基于芯片的光谱仪提供的准确度与自由空间传感器相当,尽管与空气相互作用的光线%。此外,芯片传感器的基本灵敏度通过测量甲烷浓度的最小可辨别变化来量化,显示出与其他实验室开发的自由空间光谱仪相当的性能。
  “尽管硅光子系统 - 特别是那些使用折射率变化进行传感的系统 - 以前已经进行了探索,但我们工作的创新部分是使用这种类型的系统来检测来自小浓度甲烷的非常微弱的吸收信号,综合分析我们传感器芯片的噪声和最低检测限,“张说。
  当前版本的光谱仪需要光通过光纤进入和离开芯片。然而,研究人员正在努力将光源和探测器结合到芯片上,这将创建一个基本上不需要光纤连接的电气设备。与目前的自由空间传感器不同,该芯片不需要特殊的样品或光学制备。明年,他们计划通过将光谱仪放入包含其他现成传感器的更大网络来开始对光谱仪进行现场测试。
  “我们的工作表明,硅光子制造,封装和元件设计背后的所有知识都可以带入光学传感器领域,构建大批量制造,原则上低成本的传感器,最终实现全新的这项技术的应用,“格林说。
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