فناوری نوری جدید نشت گازهای خطرناک را به طور موثر تشخیص می دهد

تصور کنید که قادر به "دیدن" نشت های گازی بی رنگ و بی بو باشید که می تواند خطرات زیست محیطی و ایمنی را ایجاد کند.فناوری تصویربرداری گازی نوری (OGI) این کار را با تجسم انتشار گازهای غیرقابل مشاهده امکان پذیر می کنداین راه حل مهندسی پیشرفته مبتنی بر اصول علمی دقیق به یک ابزار ضروری برای ایمنی صنعتی و حفاظت از محیط زیست تبدیل می شود.

در هسته خود، دوربین های OGI نسخه های بسیار تخصصی از دوربین های مادون قرمز یا تصویربرداری حرارتی را نشان می دهند. اجزای اساسی آنها شامل لنز، آشکارسازها، الکترونیک پردازش سیگنال،و یا صفحه نمایش برای نمایش تصویرچیزی که آنها را از دوربین های مادون قرمز معمولی متمایز می کند استفاده از آشکارسازان کوانتومی حساس به طول موج جذب گاز خاص است.با تکنولوژی فیلتر سازی نوری منحصر به فرد که آنها را قادر می سازد تا نشت گاز را "گرفت".

دوربین های OGI از آشکارسازان کوانتومی استفاده می کنند که باید در دمای بسیار پایین کار کنند، به طور معمول در حدود 70 کلفین (-203 °C).الکترون های موجود در مواد آشکارگر دارای انرژی کافی برای پریدن به باند رسانا هستند.وقتی به دمای کریوجنیک خنک شوند، الکترون ها این تحرک را از دست می دهند و مواد را غیر رسانا می کنند.زمانی که فوتون های انرژی خاص به آشکارگر برخورد کنند، آنها الکترون ها را از باند ولنت به باند رسانا تحریک می کنند و یک فتوکرنت متناسب با شدت تابش حاد تولید می کنند.

بسته به گاز هدف، دوربین های OGI به طور معمول از دو نوع کشنده کوانتومی استفاده می کنند:

• دوربین های مادون قرمز موج میانی (MWIR):برای تشخیص متان و گاز های مشابه استفاده می شود، که در محدوده ۳ تا ۵ میکرو متری با کشنده های اندیوم آنتی مونید (InSb) که نیاز به خنک شدن زیر ۱۷۳K (۱۰۰°C) دارند، کار می کنند.
• دوربین های مادون قرمز موج بلند (LWIR):طراحی شده برای گازهای مانند هکسافلوراید گوگرد، که در محدوده 8-12 میکرومتر با استفاده از فوتودتکتورهای مادون قرمز کوانتومی (QWIPs) که نیاز به دمای حتی پایین تر (70K / 203 °C یا کمتر) دارند، کار می کنند.

انرژی فوتون باید از انرژی بینابندی مواد آشکارگر (ΔE) بیشتر باشد تا انتقال الکترون را آغاز کند. از آنجا که انرژی فوتون به طور معکوس با طول موج ارتباط دارد،آشکارسازان مادون قرمز موج کوتاه و متوسط نیاز به انرژی بیشتری نسبت به آشکارسازان موج بلند دارند که توضیح می دهد چرا این دو مورد نیاز به دمای عملیاتی پایین تر دارند..

برای حفظ محیط کریوجنیک لازم، اکثر دوربین های OGI از کولرهای استرلینگ استفاده می کنند.این دستگاه ها از چرخه استرلینگ برای انتقال گرما از پایان سرد (دتاکتور) به پایان گرم برای تبعید استفاده می کننددر حالی که بسیار کارآمد نیستند، خنک کننده های استرلینگ به اندازه کافی نیازهای خنک کننده دوربین های مادون قرمز را برآورده می کنند.

از آنجایی که هر آشکارساز در آرایه سطح فوکال (FPA) تغییرات اندکی در افزایش و جابجایی را نشان می دهد، تصاویر نیاز به کالیبراسیون و تصحیح یکسانی دارند.به طور خودکار توسط نرم افزار دوربین انجام می شود، کیفیت بالا تولید تصویر حرارتی را تضمین می کند.

کلید تشخیص گازهای خاص دوربین های OGI در رویکرد فیلتر کردن طیف آنهاست.یک فیلتر باند باریک نصب شده در مقابل آشکارساز (و کنار آن خنک شده است تا از تبادل تشعشعات جلوگیری شود) اجازه می دهد فقط تابش طول موج خاص عبور کند، ایجاد یک باند انتقال بسیار باریک یک تکنیک به نام سازگاری طیف.

اکثر ترکیبات گازی جذب مادون قرمز وابسته به طول موج را نشان می دهند. به عنوان مثال، پروپان و متان در طول موج های خاص قله های جذب متمایز را نشان می دهند.فیلترهای دوربین OGI با این قله های جذب هماهنگ می شوند تا تشخیص انرژی مادون قرمز جذب شده توسط گاز های هدف را به حداکثر برسانند.

به عنوان مثال، اکثر هیدروکربن ها انرژی نزدیک به 3.3 میکرومتر را جذب می کنند، بنابراین فیلتر متمرکز بر این طول موج می تواند چندین گاز را تشخیص دهد.برخی از ترکیبات مانند اتیلن دارای چندین باند جذب قوی هستند، با سنسورهای موج طولانی که اغلب نسبت به جایگزین های موج متوسط برای تشخیص حساس تر هستند.

با انتخاب فیلترهایی که فقط اجازه می دهند دوربین در طول موج هایی کار کند که گاز های هدف دارای قله های جذب قوی (یا دره های انتقال) هستند، این فناوری دید گاز را افزایش می دهد.گاز به طور موثر بیشتر تابش های پس زمینه را در این مناطق طیف "بلاک" می کند.

از منظر مکانیکی، مولکول های گاز شبیه کره هایی هستند که توسط بهارها متصل می شوند. بر اساس تعداد اتم، اندازه، جرم و انعطاف پذیری "بهار"، مولکول ها می توانند ترجمه کنند، در امتداد محورها لرزش کنند، چرخند،چرخش، کشش يا تکان دادن در جهت هاي خاص

مولکول های تک اتمی ساده مانند هلیوم فقط حرکتی ترجمه ای را نشان می دهند. مولکول های دیاتومیک هم هسته ای (به عنوان مثال هیدروژن، نیتروژن) حرکتی چرخش را اضافه می کنند. مولکول های چند اتمی پیچیده (به عنوان مثالدی اکسید کربن، متان) دارای آزادی مکانیکی بیشتری هستند، که امکان انتقال چرخش و ارتعاش متعدد را فراهم می کند که به طور موثر گرما را جذب و انتشار می دهد.برخی از این انتقال ها در طیف مادون قرمز که توسط دوربین های OGI تشخیص داده می شود قرار دارند.

برای اینکه جذب فوتون مولکولی رخ دهد، مولکول باید دارای یک لحظه دوقطبی باشد که قادر به نوسان کوتاه در فرکانس فوتون حاد باشد.این تعامل مکانیکی کوانتومی اجازه انتقال انرژی الکترومغناطیسی فوتون به مولکول را می دهد.

دوربین های OGI از ویژگی های جذب مادربرد مولکول های خاصی برای تجسم آنها در محیط های طبیعی استفاده می کنند.FPA و سیستم نوری دوربین به طور خاص برای کار در باند های طیف بسیار باریک (صد ها نانومتر) تنظیم شده اندتنها گازهای جذب شده در منطقه مادون قرمز تعریف شده توسط فیلتر قابل تشخیص می شوند.

هنگام تصویربرداری یک صحنه بدون نشت، اجسام پس زمینه اشعه مادون قرمز را از طریق لنز دوربین و فیلتر بازتاب می دهند. فیلتر فقط طول موج خاصی را به آشکارگر منتقل می کند،تولید یک تصویر شدت تشعشع بدون جبراناگر ابر گازی بین دوربین و پس زمینه وجود داشته باشد و تابش را در داخل فیلتر جذب کند تابش بدون باند عبور از طریق ابر به آشکارگر می رسد.

برای دید ابرها، کنتراست تابشی کافی بین ابرها و پس زمینه باید وجود داشته باشد. اساساً، تابشی که از ابر خارج می شود باید متفاوت از تابشی باشد که وارد آن می شود.از آنجایی که بازتاب تشعشعات مولکولی از ابرها ناچیز است، فاکتور بحرانی تفاوت دمای ظاهری بین ابرها و پس زمینه می شود.

• گاز هدف باید اشعه مادون قرمز را در باند عملیاتی دوربین جذب کند
• ابرهای گازی باید با پس زمینه در تضاد تابشی باشند.
• دمای ظاهری ابرها باید با پس زمینه متفاوت باشد
• حرکت باعث افزایش دید ابرها می شود
• ارزیابی قابلیت اندازه گیری دمای به درستی کالیبراسیون شده Delta T (تفاوت دمای ظاهری)

تکنولوژی تصویربرداری گازی نوری با ایجاد نوری نوری از نشت گاز، به طور قابل توجهی به ایمنی صنعتی و حفاظت از محیط زیست کمک می کندو پاک تر بسازیم، محیط های امن تر.