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

تصور کنید که بتوانید نشت گازهای بی‌رنگ و بی‌بو را که می‌توانند خطرات زیست‌محیطی و ایمنی ایجاد کنند، «ببینید». فناوری تصویربرداری گاز نوری (OGI) این امکان را با تجسم انتشار گازهای نامرئی فراهم می‌کند. این راه‌حل مهندسی پیشرفته که بر اساس اصول علمی دقیق است، دور از داستان‌های علمی تخیلی، به ابزاری ضروری برای ایمنی صنعتی و حفاظت از محیط زیست تبدیل می‌شود.

در هسته خود، دوربین‌های OGI نسخه‌های بسیار تخصصی دوربین‌های تصویربرداری مادون قرمز یا حرارتی هستند. اجزای اصلی آن‌ها شامل لنزها، آشکارسازها، الکترونیک پردازش سیگنال و منظره‌یاب یا صفحه‌نمایش برای نمایش تصویر است. آنچه آن‌ها را از دوربین‌های مادون قرمز معمولی متمایز می‌کند، استفاده از آشکارسازهای کوانتومی حساس به طول موج‌های جذب گاز خاص، همراه با فناوری فیلتر نوری منحصربه‌فرد است که آن‌ها را قادر می‌سازد نشت گاز را «به تصویر بکشند».

دوربین‌های OGI از آشکارسازهای کوانتومی استفاده می‌کنند که باید در دماهای بسیار پایین - معمولاً حدود 70 کلوین (-203 درجه سانتی‌گراد) - کار کنند. این نیاز ناشی از فیزیک اساسی است: در دمای اتاق، الکترون‌ها در ماده آشکارساز انرژی کافی برای جهش به نوار رسانایی دارند و ماده را رسانا می‌کنند. هنگامی که تا دمای برودتی سرد می‌شوند، الکترون‌ها این تحرک را از دست می‌دهند و ماده را غیررسانا می‌کنند. در این حالت، هنگامی که فوتون‌های انرژی خاص به آشکارساز برخورد می‌کنند، الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانایی تحریک می‌کنند و یک جریان نوری متناسب با شدت تابش حادثه ایجاد می‌کنند.

بسته به گاز هدف، دوربین‌های OGI معمولاً از دو نوع آشکارساز کوانتومی استفاده می‌کنند:

• دوربین‌های مادون قرمز موج متوسط (MWIR):برای تشخیص متان و گازهای مشابه استفاده می‌شود و در محدوده 3-5 میکرومتر با آشکارسازهای آنتیمونید ایندیم (InSb) کار می‌کند که نیاز به خنک‌سازی زیر 173 کلوین (-100 درجه سانتی‌گراد) دارند.
• دوربین‌های مادون قرمز موج بلند (LWIR):طراحی شده برای گازهایی مانند هگزافلوراید گوگرد، که در محدوده 8-12 میکرومتر با استفاده از فوتودیودهای مادون قرمز چاه کوانتومی (QWIPs) کار می‌کنند که به دماهای حتی پایین‌تری (70 کلوین/-203 درجه سانتی‌گراد یا کمتر) نیاز دارند.

انرژی فوتون باید از انرژی شکاف نواری (ΔE) ماده آشکارساز بیشتر باشد تا انتقال الکترون را تحریک کند. از آنجایی که انرژی فوتون با طول موج رابطه معکوس دارد، آشکارسازهای مادون قرمز موج کوتاه/متوسط به انرژی بالاتری نسبت به آشکارسازهای موج بلند نیاز دارند - که توضیح می‌دهد چرا دومی به دمای عملیاتی پایین‌تری نیاز دارند.

برای حفظ محیط برودتی لازم، اکثر دوربین‌های OGI از خنک‌کننده‌های استرلینگ استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها از چرخه استرلینگ برای انتقال گرما از انتهای سرد (آشکارساز) به انتهای گرم برای اتلاف استفاده می‌کنند. خنک‌کننده‌های استرلینگ اگرچه بسیار کارآمد نیستند، اما به اندازه کافی نیازهای خنک‌کننده آشکارساز دوربین مادون قرمز را برآورده می‌کنند.

از آنجایی که هر آشکارساز در آرایه صفحه کانونی (FPA) دارای تغییرات جزئی در بهره و آفست است، تصاویر نیاز به کالیبراسیون و تصحیح یکنواختی دارند. این فرآیند کالیبراسیون چند مرحله‌ای که به‌طور خودکار توسط نرم‌افزار دوربین انجام می‌شود، خروجی تصویربرداری حرارتی با کیفیت بالا را تضمین می‌کند.

کلید تشخیص گاز خاص دوربین‌های OGI در رویکرد فیلتر طیفی آن‌ها نهفته است. یک فیلتر باریک‌باند که در جلوی آشکارساز نصب شده است (و در کنار آن خنک می‌شود تا از تبادل تابشی جلوگیری شود) فقط به تابش طول موج خاص اجازه عبور می‌دهد و یک باند انتقال بسیار باریک ایجاد می‌کند - تکنیکی که به آن تطبیق طیفی می‌گویند.

اکثر ترکیبات گازی جذب مادون قرمز وابسته به طول موج را نشان می‌دهند. به عنوان مثال، پروپان و متان قله‌های جذب متمایزی را در طول موج‌های خاص نشان می‌دهند. فیلترهای دوربین OGI با این قله‌های جذب هم‌تراز می‌شوند تا تشخیص انرژی مادون قرمز جذب شده توسط گازهای هدف را به حداکثر برسانند.

به عنوان مثال، اکثر هیدروکربن‌ها انرژی را در نزدیکی 3.3 میکرومتر جذب می‌کنند، بنابراین یک فیلتر متمرکز بر این طول موج می‌تواند چندین گاز را تشخیص دهد. برخی از ترکیبات مانند اتیلن دارای باندهای جذب قوی متعددی هستند، که حسگرهای موج بلند اغلب برای تشخیص نسبت به جایگزین‌های موج متوسط حساس‌تر هستند.

با انتخاب فیلترهایی که فقط به دوربین اجازه می‌دهند در طول موج‌هایی که گازهای هدف قله‌های جذب قوی (یا دره‌های انتقال) را نشان می‌دهند، کار کند، این فناوری دید گاز را افزایش می‌دهد. گاز به طور موثر تابش پس‌زمینه بیشتری را در این مناطق طیفی «مسدود» می‌کند.

دوربین‌های OGI از ویژگی‌های جذب مادون قرمز مولکول‌های خاص برای تجسم آن‌ها در محیط‌های طبیعی استفاده می‌کنند. FPA و سیستم نوری دوربین به‌طور ویژه تنظیم شده‌اند تا در باندهای طیفی بسیار باریک (صدها نانومتر) کار کنند و انتخابی استثنایی را ارائه دهند. فقط گازهایی که در ناحیه مادون قرمز تعریف شده توسط فیلتر جذب می‌شوند، قابل تشخیص می‌شوند.

هنگام تصویربرداری از یک صحنه بدون نشت، اشیاء پس‌زمینه تابش مادون قرمز را از طریق لنز و فیلتر دوربین ساطع و منعکس می‌کنند. فیلتر فقط طول موج‌های خاصی را به آشکارساز منتقل می‌کند و یک تصویر شدت تابش جبران‌نشده تولید می‌کند. اگر یک ابر گازی بین دوربین و پس‌زمینه وجود داشته باشد - و تابش را در باند عبور فیلتر جذب کند - تابش کمتری از طریق ابر به آشکارساز می‌رسد.

برای دید ابر، باید تضاد تابشی کافی بین ابر و پس‌زمینه وجود داشته باشد. اساساً، تابش خروجی از ابر باید با تابش ورودی به آن متفاوت باشد. از آنجایی که انعکاس تابش مولکولی از ابرها ناچیز است، عامل حیاتی، تفاوت دمای ظاهری بین ابر و پس‌زمینه است.

• گاز هدف باید تابش مادون قرمز را در باند عملیاتی دوربین جذب کند
• ابر گاز باید تضاد تابشی با پس‌زمینه نشان دهد
• دمای ظاهری ابر باید با پس‌زمینه متفاوت باشد
• حرکت دید ابر را افزایش می‌دهد
• قابلیت اندازه‌گیری دما که به درستی کالیبره شده است به ارزیابی دلتا T (تفاوت دمای ظاهری) کمک می‌کند

فناوری تصویربرداری گاز نوری با قابل مشاهده کردن نشت گازهای نامرئی، به طور قابل توجهی به ایمنی صنعتی و حفاظت از محیط زیست کمک می‌کند - به جلوگیری از حوادث، کاهش انتشار و ایجاد محیط‌های پاک‌تر و ایمن‌تر کمک می‌کند.