Селективный лазер

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1573 (2023) Цитировать эту статью

1168 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Сообщается, что для количественного определения неорганизованных выбросов метана используется лазерный датчик среднего инфракрасного диапазона. Датчик основан на междиапазонном каскадном лазере с распределенной обратной связью, работающем в районе 3,3 мкм. Настройка длины волны с помощью кепстрального анализа используется для изоляции поглощения метана от (1) колебаний базовой интенсивности лазера и (2) мешающих частиц. Кепстральный анализ создает модифицированную форму сигнала молекулярной свободной индукции-распада (m-FID) во временной области для разделения во времени оптических и молекулярных реакций. Разработанный датчик нечувствителен к несовершенствам базовой интенсивности лазерного излучения и спектральным помехам от других видов. Точные измерения метана в присутствии репрезентативного мешающего вещества, бензола, выполняются путем тщательного выбора индекса сканирования (отношения диапазона настройки лазера к ширине спектральной линии), а также начального и конечного времени аппроксимации сигнала m-FID. Минимальный предел обнаружения датчика составляет ~ 110 ppm, который можно повысить с помощью оптического резонатора. Предлагаемая стратегия зондирования может быть использована для измерения утечек метана в суровых условиях и при наличии мешающих видов в приложениях мониторинга окружающей среды.

Метан имеет важное астрофизическое применение из-за его значительного присутствия во многих планетных системах1 и был обнаружен в атмосфере Сатурна, Титана, Юпитера, Урана, Марса и Плутона2. Следовые количества метана в дыхании человека можно использовать в качестве биомаркера кишечных проблем и кишечной ферментации3.

Метан является третьим по важности парниковым газом в атмосфере Земли после водяного пара и углекислого газа4, и его концентрация неуклонно растет из-за антропогенной деятельности5. Антропогенные выбросы метана почти вдвое превышают выбросы из природных источников6, поэтому метан является ключевым объектом сокращения запасов парниковых газов. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCG) обратилась к политикам с просьбой разработать методы измерения и ограничения выбросов газов, вызывающих глобальное потепление7. Метан вносит основной вклад в изменение климата, и его потенциал глобального потепления примерно в 25 раз выше, чем у CO28. Сокращение выбросов метана имеет важное значение, поскольку на долю метана приходится около 25% текущего потепления9. Срочная реализация стратегии смягчения последствий может замедлить темпы потепления и помочь избежать повышения на 0,25 °C к 2050 году и более чем на 0,5 °C к 21000 году10. Для снижения выбросов метана было разработано множество сенсорных технологий11.

Метан является основным компонентом (\(\sim\) 90%) природного газа (ПГ). Аварийные взрывы смесей ПГ с воздухом очень дорого обходятся с точки зрения жизни, материалов и психического здоровья людей12. Взрыв в Ричмонд-Хилле в 2012 году произошел из-за масштабных утечек метана, скопившегося на частично закрытой территории, который воспламенился и привел к катастрофе13. Астрофизические взрывы были связаны с переходом горения в детонацию (ДДТ), который исследовался в каналах, содержащих смеси метана и воздуха12.

Абсорбционная спектроскопия обеспечивает количественные, неинтрузивные измерения в различных системах14,15. Многочисленные датчики лазерного поглощения были разработаны для обнаружения метана в приложениях для измерения газа. Эти датчики были разработаны как для средней, так и для ближней инфракрасной области спектра поглощения метана. Лазерные источники среднего инфракрасного диапазона все чаще используются, поскольку сила поглощения большинства углеводородов в среднем ИК-диапазоне на несколько порядков выше, чем в ближнем ИК-диапазоне16,17,18. Методы прямого поглощения и фотоакустики использовались для разработки атмосферных датчиков метана с использованием диодных лазеров с распределенной обратной связью (DFB), работающих в ближнем ИК-диапазоне около 1,6 мкм для доступа к полосе метана 2v319,20,21,22. Кроме того, сообщалось, что датчики метана в среднем ИК-диапазоне используют источники генерации разностной частоты (DFG), которые излучают около 3,3–3,4 мкм, чтобы перекрыть полосу вращательных колебаний метана v323,24,25,26,27. Недавно квантово-каскадные лазеры (ККЛ) позволили обнаружить метан на длине волны около 8 мкм, нацеливаясь на полосу ν4 метана28,29,30,31.