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  从地球中提取天然气并通过管道运输的过程会释放甲烷到大气中。甲烷是天然气的主要成分,是一种温室气体,它对全球变暖的影响大约是二氧化碳的25倍,这使其在俘获大气热量方面非常有效。一种新型的基于芯片的甲烷光谱,它比一角硬币还要小,或许有一天能够更高效、更容易地监测大面积的甲烷泄漏。

  来自纽约约克镇IBM Thomas J. Watson研究中心的科学家研发出了一种新型甲烷光谱仪,比现在的标准光谱仪体积更小,制造成本更为经济。在光学学会的高影响因子杂志《Optica》中,研究人员详细介绍了这种新型光谱仪,并表明它可以检测浓度低至万分之一的甲烷气体。

  只需少量维护保养,具有高抗冲击力

  这种光谱仪基于硅光子学技术,这意味着它是由硅制成的光学器件,即用于制造计算机芯片的材料。由于可以使用与计算机芯片相同的高容量加工方法来制造这种基于芯片的甲烷光谱仪,所以光谱仪连同外壳和电池或太阳能电源,如果批量生产的话,成本可能低至几百美元数量。

  IBM研究团队的负责人William Green表示:“与今天市面上可用的甲烷检测光学传感器好几万的成本相比,大容量加工可以使得芯片光谱仪有了一个更重要的价值定位。”“而且,没有可移动部件,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转多年而几乎不需要维护。”

  这种成本低廉且质量结实的光谱仪可以带来令人兴奋的新应用。例如,IBM团队正在与石油和天然气行业的合作伙伴共同开展一个项目,该项目将使用光谱仪来检测甲烷泄漏,避免了成千上万个泄露地点的现场查找和修复,可以节省公司的时间和金钱。

  “在天然气开采和配送过程中,当井中的设备发生故障,阀门卡住或管道出现裂缝时,甲烷可能会泄漏到空气中。“我们正在研究一种可以使用这种芯片光谱仪分布在井口上的传感器网络的方法。例如,这些传感器收集的数据将使用IBM的物理分析软件进行处理,可以自动确定泄漏的位置以及泄漏的体积。”

  甲烷是一种微量气体,它占地球大气体积的不到1%。虽然研究人员已经演示了甲烷检测,但还可以使用相同的方法来检测其他个别微量气体的存在。它也可以同时用于多种气体检测。

  “我们的长期愿景是将这些类型的传感器并入人们每天都在使用的如手机或交通工具等家用事物中。这些传感器可用于检测污染、危险的一氧化碳含量水平或其他感兴趣的分子。”研究团队成员Eric Zhang说。“因为这种光谱仪提供了一个用于多物种检测的平台,有一天或许它也可以用于呼吸分析进行健康监测。”

  缩小光谱仪

  这种新装置使用了一种称为吸收光谱学的方法,这种方法要求激光处于被测分子唯一吸收的波长处。在传统的吸收光谱设置中,激光穿过空气或自由空间,直到到达探测器。检测到达探测器的光可以得出空气中所关注的分子被吸收的量,同时可以计算它们现在的浓度。

  新系统采用了类似的方法,但它不是自由空间装置,而是使激光穿过一条狭窄的硅波导,它是位于芯片上方长度为10厘米长的蛇形格局,可以测定16平方毫米的范围。一些光被捕获在波导内部,而大约25%的光会延伸到硅的外部进入空气中,在那里它可以与经过传感器波导附近的微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,并确定了波导的几何参数使其能够产生令人满意的结果。

  并排比较

  为了将新型光谱仪的性能与标准自由空间光谱仪的性能进行比较,他们将设备放置在环境室中,释放并控制甲烷的浓度。研究人员发现,与自由空间设计相比,基于芯片的光谱仪比同等水平自由空间传感器更加精确,并且减少了75%与空气相互作用的光。此外,芯片传感器的灵敏度通过甲烷浓度的最小可辨别范围来量化,并显示出具有比其他实验室研发的自由空间光谱仪更优越的性能。

  “虽然硅光子学系统——特别是那些使用折射率变化的传感系统,以前已经被探索,但是我们工作的创新部分是使用这种类型的系统来检测低浓度甲烷非常弱的吸收信号,和对我们传感器芯片噪声和最小检测阈值的综合分析。”

  当前版本的光谱仪需要光线通过光纤进出芯片。然而,研究人员正在努力将光源和检测器并入到芯片上,这将创建一个不需要光纤连接的本质上的电学设备。与当前的自由空间传感器不同,这种芯片型的不需要特殊的样品或光学上的准备。明年,他们计划通过将光谱仪放置在包括其他现成传感器的较大网络中进行现场测试。

  “我们的工作表明,硅光子学制造、封装和组件设计背后的所有知识都可以被带入光学传感器领域,完成大批量原则上是低成本的传感器加工,最终能够实现该技术的全新应用。”Green说。

  编辑点评

  根据新的资源评价结果,我国陆上煤层气资源量36.8万亿立方米,其主要成分为 CH4、O2、N2 以及少部分 CO2,将这些气体直接排放到大气中对环境的影响是非常大的,基于微芯片的甲烷光谱仪通过高低浓度的配置,保证甲烷浓度的测量数据,为我国温室气体排放控制提供了技术保证。

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