Une nouvelle technologie optique détecte efficacement les fuites de gaz dangereux

Imaginez pouvoir "voir" les fuites de gaz incolores et inodores qui pourraient poser des risques environnementaux et des dangers pour la sécurité. La technologie d'imagerie optique des gaz (OGI) rend cela possible en visualisant les émissions de gaz autrement invisibles. Loin de la science-fiction, cette solution d'ingénierie avancée basée sur des principes scientifiques rigoureux devient un outil indispensable pour la sécurité industrielle et la protection de l'environnement.

À la base, les caméras OGI représentent des versions hautement spécialisées de caméras d'imagerie infrarouge ou thermique. Leurs composants de base comprennent des lentilles, des détecteurs, des circuits électroniques de traitement du signal et des viseurs ou des écrans pour l'affichage des images. Ce qui les distingue des caméras infrarouges conventionnelles, c'est leur utilisation de détecteurs quantiques sensibles aux longueurs d'onde d'absorption spécifiques des gaz, combinée à une technologie de filtrage optique unique qui leur permet de "capturer" les fuites de gaz.

Les caméras OGI utilisent des détecteurs quantiques qui doivent fonctionner à des températures extrêmement basses, généralement autour de 70 Kelvin (-203°C). Cette exigence découle de la physique fondamentale : à température ambiante, les électrons du matériau du détecteur possèdent suffisamment d'énergie pour sauter dans la bande de conduction, rendant le matériau conducteur. Lorsqu'ils sont refroidis à des températures cryogéniques, les électrons perdent cette mobilité, rendant le matériau non conducteur. Dans cet état, lorsque des photons d'énergie spécifique frappent le détecteur, ils excitent les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, générant un photocourant proportionnel à l'intensité du rayonnement incident.

Selon le gaz cible, les caméras OGI utilisent généralement deux types de détecteurs quantiques :

• Caméras infrarouges à ondes moyennes (MWIR) : Utilisées pour détecter le méthane et les gaz similaires, fonctionnant dans la plage de 3 à 5 micromètres avec des détecteurs d'antimoniure d'indium (InSb) nécessitant un refroidissement en dessous de 173K (-100°C).
• Caméras infrarouges à ondes longues (LWIR) : Conçues pour des gaz comme l'hexafluorure de soufre, fonctionnant dans la plage de 8 à 12 micromètres en utilisant des photodétecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP) qui nécessitent des températures encore plus basses (70K/-203°C ou moins).

L'énergie des photons doit dépasser l'énergie de la bande interdite du matériau du détecteur (ΔE) pour déclencher les transitions électroniques. Étant donné que l'énergie des photons est inversement corrélée à la longueur d'onde, les détecteurs infrarouges à ondes courtes/moyennes nécessitent une énergie plus élevée que les détecteurs à ondes longues, ce qui explique pourquoi ces derniers ont besoin de températures de fonctionnement plus basses.

Pour maintenir l'environnement cryogénique nécessaire, la plupart des caméras OGI utilisent des refroidisseurs Stirling. Ces dispositifs utilisent le cycle Stirling pour transférer la chaleur de l'extrémité froide (détecteur) vers l'extrémité chaude pour la dissipation. Bien qu'ils ne soient pas très efficaces, les refroidisseurs Stirling répondent adéquatement aux exigences de refroidissement des détecteurs des caméras infrarouges.

Étant donné que chaque détecteur du réseau plan focal (FPA) présente de légères variations de gain et de décalage, les images nécessitent un étalonnage et une correction d'uniformité. Ce processus d'étalonnage en plusieurs étapes, effectué automatiquement par le logiciel de la caméra, garantit une sortie d'imagerie thermique de haute qualité.

La clé de la détection spécifique des gaz par les caméras OGI réside dans leur approche de filtrage spectral. Un filtre à bande étroite installé devant le détecteur (et refroidi en même temps pour éviter les échanges radiatifs) ne permet le passage que d'un rayonnement de longueur d'onde spécifique, créant une bande de transmission extrêmement étroite, une technique appelée adaptation spectrale.

La plupart des composés gazeux présentent une absorption infrarouge dépendante de la longueur d'onde. Par exemple, le propane et le méthane présentent des pics d'absorption distincts à des longueurs d'onde spécifiques. Les filtres des caméras OGI s'alignent sur ces pics d'absorption pour maximiser la détection de l'énergie infrarouge absorbée par les gaz cibles.

Par exemple, la plupart des hydrocarbures absorbent l'énergie près de 3,3 micromètres, de sorte qu'un filtre centré sur cette longueur d'onde peut détecter plusieurs gaz. Certains composés comme l'éthylène présentent plusieurs bandes d'absorption fortes, les capteurs à ondes longues s'avérant souvent plus sensibles que les alternatives à ondes moyennes pour la détection.

En sélectionnant des filtres qui ne permettent le fonctionnement de la caméra que dans les longueurs d'onde où les gaz cibles présentent des pics d'absorption forts (ou des creux de transmission), la technologie améliore la visibilité des gaz. Le gaz "bloque" efficacement plus de rayonnement de fond dans ces régions spectrales.

D'un point de vue mécanique, les molécules de gaz ressemblent à des sphères reliées par des ressorts. En fonction du nombre d'atomes, de la taille, de la masse et de l'élasticité des "ressorts", les molécules peuvent se déplacer en translation, vibrer le long des axes, tourner, se tordre, s'étirer ou osciller dans des directions spécifiques.

Les molécules monoatomiques simples comme l'hélium ne présentent qu'un mouvement de translation. Les molécules diatomiques homonucléaires (par exemple, l'hydrogène, l'azote) ajoutent un mouvement de rotation. Les molécules polyatomiques complexes (par exemple, le dioxyde de carbone, le méthane) possèdent une plus grande liberté mécanique, permettant de multiples transitions rotationnelles et vibrationnelles qui absorbent et émettent efficacement la chaleur. Certaines de ces transitions se situent dans le spectre infrarouge détectable par les caméras OGI.

Pour que l'absorption moléculaire de photons se produise, la molécule doit posséder un moment dipolaire capable d'osciller brièvement à la fréquence du photon incident. Cette interaction quantique permet le transfert de l'énergie électromagnétique du photon à la molécule.

Les caméras OGI exploitent les caractéristiques d'absorption infrarouge de certaines molécules pour les visualiser dans des environnements naturels. Le FPA et le système optique de la caméra sont spécialement réglés pour fonctionner dans des bandes spectrales extrêmement étroites (des centaines de nanomètres), offrant une sélectivité exceptionnelle. Seuls les gaz absorbant dans la région infrarouge définie par le filtre deviennent détectables.

Lors de l'imagerie d'une scène sans fuite, les objets d'arrière-plan émettent et réfléchissent le rayonnement infrarouge à travers l'objectif et le filtre de la caméra. Le filtre ne transmet que des longueurs d'onde spécifiques au détecteur, produisant une image d'intensité de rayonnement non compensée. Si un nuage de gaz existe entre la caméra et l'arrière-plan, et absorbe le rayonnement dans la bande passante du filtre, moins de rayonnement atteint le détecteur à travers le nuage.

Pour la visibilité du nuage, un contraste radiatif suffisant doit exister entre le nuage et l'arrière-plan. Essentiellement, le rayonnement sortant du nuage doit différer de celui qui y entre. Étant donné que la réflexion du rayonnement moléculaire par les nuages est négligeable, le facteur critique devient la différence de température apparente entre le nuage et l'arrière-plan.

• Le gaz cible doit absorber le rayonnement infrarouge dans la bande de fonctionnement de la caméra
• Le nuage de gaz doit présenter un contraste radiatif avec l'arrière-plan
• La température apparente du nuage doit différer de l'arrière-plan
• Le mouvement améliore la visibilité du nuage
• Une capacité de mesure de la température correctement étalonnée facilite l'évaluation du Delta T (différence de température apparente)

En rendant les fuites de gaz invisibles visibles, la technologie d'imagerie optique des gaz contribue de manière significative à la sécurité industrielle et à la protection de l'environnement, aidant à prévenir les accidents, à réduire les émissions et à créer des environnements plus propres et plus sûrs.