Nowa technologia optyczna skutecznie wykrywa wycieki niebezpiecznych gazów

Wyobraź sobie możliwość "zobaczenia" bezbarwnych, bezwonnych wycieków gazu, które mogą stanowić zagrożenie dla środowiska i bezpieczeństwa. Technologia obrazowania gazu optycznego (OGI) umożliwia to, wizualizując w inny sposób niewidoczne emisje gazów. Daleka od science fiction, to zaawansowane rozwiązanie inżynieryjne oparte na rygorystycznych zasadach naukowych staje się niezbędnym narzędziem dla bezpieczeństwa przemysłowego i ochrony środowiska.

W swojej istocie kamery OGI reprezentują wysoce wyspecjalizowane wersje kamer termowizyjnych lub termowizyjnych. Ich podstawowe komponenty obejmują obiektywy, detektory, elektronikę przetwarzania sygnału oraz wizjery lub ekrany do wyświetlania obrazu. To, co odróżnia je od konwencjonalnych kamer na podczerwień, to wykorzystanie detektorów kwantowych wrażliwych na określone długości fal absorpcji gazu, w połączeniu z unikalną technologią filtrowania optycznego, która pozwala im "uchwycić" wycieki gazu.

Kamery OGI wykorzystują detektory kwantowe, które muszą działać w bardzo niskich temperaturach - zazwyczaj około 70 Kelwinów (-203°C). Wymóg ten wynika z podstawowej fizyki: w temperaturze pokojowej elektrony w materiale detektora posiadają wystarczającą energię, aby przeskoczyć do pasma przewodnictwa, co sprawia, że materiał staje się przewodzący. Po schłodzeniu do temperatur kriogenicznych elektrony tracą tę ruchliwość, przez co materiał staje się nieprzewodzący. W tym stanie, gdy fotony o określonej energii uderzają w detektor, wzbudzają elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, generując prąd fotoelektryczny proporcjonalny do natężenia promieniowania padającego.

W zależności od gazu docelowego, kamery OGI zazwyczaj wykorzystują dwa rodzaje detektorów kwantowych:

• Kamery średniofalowe na podczerwień (MWIR): Używane do wykrywania metanu i podobnych gazów, działające w zakresie 3-5 mikrometrów z detektorami antymonku indu (InSb) wymagającymi chłodzenia poniżej 173K (-100°C).
• Kamery długofalowe na podczerwień (LWIR): Zaprojektowane dla gazów takich jak sześciofluorek siarki, działające w zakresie 8-12 mikrometrów z wykorzystaniem fotodetektorów kwantowych studni (QWIP), które wymagają jeszcze niższych temperatur (70K/-203°C lub mniej).

Energia fotonu musi przekraczać energię przerwy energetycznej materiału detektora (ΔE), aby wywołać przejścia elektronowe. Ponieważ energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, detektory krótkofalowe/średniofalowe na podczerwień wymagają wyższej energii niż detektory długofalowe - co wyjaśnia, dlaczego te ostatnie potrzebują niższych temperatur pracy.

Aby utrzymać niezbędne środowisko kriogeniczne, większość kamer OGI wykorzystuje chłodziarki Stirlinga. Urządzenia te wykorzystują cykl Stirlinga do przenoszenia ciepła z zimnego końca (detektora) do gorącego końca w celu rozpraszania. Chociaż nie są wysoce wydajne, chłodziarki Stirlinga odpowiednio spełniają wymagania dotyczące chłodzenia detektorów kamer na podczerwień.

Ponieważ każdy detektor w macierzy płaszczyzny ogniskowej (FPA) wykazuje niewielkie różnice w wzmocnieniu i przesunięciu, obrazy wymagają kalibracji i korekcji jednolitości. Ten wieloetapowy proces kalibracji, wykonywany automatycznie przez oprogramowanie kamery, zapewnia wysokiej jakości wyjście obrazowania termicznego.

Kluczem do specyficznego wykrywania gazów przez kamery OGI jest ich podejście do filtrowania spektralnego. Wąskopasmowy filtr zainstalowany przed detektorem (i chłodzony razem z nim, aby zapobiec wymianie radiacyjnej) przepuszcza tylko promieniowanie o określonej długości fali, tworząc niezwykle wąskie pasmo transmisji - technika ta nazywana jest adaptacją spektralną.

Większość związków gazowych wykazuje zależną od długości fali absorpcję w podczerwieni. Na przykład propan i metan wykazują wyraźne piki absorpcji przy określonych długościach fal. Filtry kamer OGI są dopasowane do tych pików absorpcji, aby zmaksymalizować wykrywanie energii w podczerwieni pochłanianej przez gazy docelowe.

Na przykład, większość węglowodorów pochłania energię w pobliżu 3,3 mikrometra, więc filtr wyśrodkowany na tej długości fali może wykrywać wiele gazów. Niektóre związki, takie jak etylen, charakteryzują się wieloma silnymi pasmami absorpcji, a czujniki długofalowe często okazują się bardziej czułe niż alternatywy średniofalowe do wykrywania.

Wybierając filtry, które pozwalają na działanie kamery tylko w zakresie długości fal, w których gazy docelowe wykazują silne piki absorpcji (lub doliny transmisji), technologia zwiększa widoczność gazu. Gaz skutecznie "blokuje" więcej promieniowania tła w tych regionach spektralnych.

Z mechanicznego punktu widzenia cząsteczki gazu przypominają kule połączone sprężynami. W oparciu o liczbę atomów, rozmiar, masę i elastyczność "sprężyny", cząsteczki mogą translacyjnie, wibrować wzdłuż osi, obracać się, skręcać, rozciągać lub chwiać w określonych kierunkach.

Proste cząsteczki jednoatomowe, takie jak hel, wykazują tylko ruch translacyjny. Cząsteczki dwuatomowe homojądrowe (np. wodór, azot) dodają ruch obrotowy. Złożone cząsteczki wieloatomowe (np. dwutlenek węgla, metan) posiadają większą swobodę mechaniczną, umożliwiając wiele przejść obrotowych i wibracyjnych, które skutecznie pochłaniają i emitują ciepło. Niektóre z tych przejść mieszczą się w widmie podczerwieni wykrywalnym przez kamery OGI.

Aby nastąpiła absorpcja fotonów molekularnych, cząsteczka musi posiadać moment dipolowy zdolny do krótkotrwałego oscylowania z częstotliwością padającego fotonu. Ta interakcja kwantowo-mechaniczna pozwala na przeniesienie energii elektromagnetycznej fotonu do cząsteczki.

Kamery OGI wykorzystują charakterystyki absorpcji w podczerwieni niektórych cząsteczek, aby wizualizować je w naturalnym środowisku. FPA i system optyczny kamery są specjalnie dostrojone do pracy w niezwykle wąskich pasmach spektralnych (setki nanometrów), zapewniając wyjątkową selektywność. Tylko gazy absorbujące w zdefiniowanym przez filtr zakresie podczerwieni stają się wykrywalne.

Podczas obrazowania sceny wolnej od wycieków, obiekty tła emitują i odbijają promieniowanie podczerwone przez obiektyw i filtr kamery. Filtr przepuszcza tylko określone długości fal do detektora, generując niekompensowany obraz natężenia promieniowania. Jeśli chmura gazu istnieje między kamerą a tłem - i pochłania promieniowanie w paśmie przepustowym filtra - mniej promieniowania dociera do detektora przez chmurę.

Aby chmura była widoczna, musi istnieć wystarczający kontrast radiacyjny między chmurą a tłem. Zasadniczo, promieniowanie wychodzące z chmury musi różnić się od tego, które do niej wchodzi. Ponieważ odbicie promieniowania molekularnego z chmur jest pomijalne, krytycznym czynnikiem staje się pozorna różnica temperatur między chmurą a tłem.

• Gaz docelowy musi absorbować promieniowanie podczerwone w paśmie roboczym kamery
• Chmura gazu musi wykazywać kontrast radiacyjny z tłem
• Pozorna temperatura chmury musi różnić się od tła
• Ruch zwiększa widoczność chmury
• Prawidłowo skalibrowana zdolność pomiaru temperatury wspomaga ocenę Delta T (pozorna różnica temperatur)

Ujawniając niewidoczne wycieki gazu, technologia obrazowania gazu optycznego w znacznym stopniu przyczynia się do bezpieczeństwa przemysłowego i ochrony środowiska - pomagając zapobiegać wypadkom, redukować emisje i tworzyć czystsze, bezpieczniejsze środowiska.