Новая оптическая технология эффективно обнаруживает утечки опасных газов

Представьте себе возможность «видеть» бесцветные, без запаха утечки газа, которые могут представлять экологические риски и угрозы безопасности. Технология оптической визуализации газа (OGI) делает это возможным, визуализируя в противном случае невидимые выбросы газа. Далеко не научная фантастика, это передовое инженерное решение, основанное на строгих научных принципах, становится незаменимым инструментом для промышленной безопасности и защиты окружающей среды.

В своей основе камеры OGI представляют собой узкоспециализированные версии инфракрасных или тепловизионных камер. Их основные компоненты включают линзы, детекторы, электронику обработки сигналов и видоискатели или экраны для отображения изображений. Что отличает их от обычных инфракрасных камер, так это использование квантовых детекторов, чувствительных к определенным длинам волн поглощения газа, в сочетании с уникальной технологией оптической фильтрации, которая позволяет им «захватывать» утечки газа.

В камерах OGI используются квантовые детекторы, которые должны работать при чрезвычайно низких температурах — обычно около 70 Кельвинов (-203°C). Это требование вытекает из фундаментальной физики: при комнатной температуре электроны в материале детектора обладают достаточной энергией, чтобы перескочить в зону проводимости, делая материал проводящим. При охлаждении до криогенных температур электроны теряют эту подвижность, делая материал непроводящим. В этом состоянии, когда фотоны определенной энергии попадают на детектор, они возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости, генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего излучения.

В зависимости от целевого газа, камеры OGI обычно используют два типа квантовых детекторов:

• Средневолновые инфракрасные (MWIR) камеры: Используются для обнаружения метана и аналогичных газов, работая в диапазоне 3-5 микрометров с детекторами из антимонида индия (InSb), требующими охлаждения ниже 173K (-100°C).
• Длинноволновые инфракрасные (LWIR) камеры: Предназначены для газов, таких как гексафторид серы, работающих в диапазоне 8-12 микрометров с использованием квантово-ядерных инфракрасных фотодетекторов (QWIP), которые требуют еще более низких температур (70K/-203°C или ниже).

Энергия фотона должна превышать энергию запрещенной зоны материала детектора (ΔE), чтобы вызвать переходы электронов. Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна длине волны, коротковолновые/средневолновые инфракрасные детекторы требуют более высокой энергии, чем длинноволновые детекторы, что объясняет, почему последние нуждаются в более низких рабочих температурах.

Для поддержания необходимой криогенной среды большинство камер OGI используют кулеры Стирлинга. Эти устройства используют цикл Стирлинга для передачи тепла от холодного конца (детектора) к горячему концу для рассеивания. Хотя кулеры Стирлинга не очень эффективны, они адекватно удовлетворяют требованиям к охлаждению детекторов инфракрасных камер.

Поскольку каждый детектор в матрице фокальной плоскости (FPA) демонстрирует небольшие различия в усилении и смещении, изображения требуют калибровки и коррекции однородности. Этот многоступенчатый процесс калибровки, выполняемый автоматически программным обеспечением камеры, обеспечивает высокое качество тепловизионного изображения.

Ключ к газоспецифическому обнаружению камер OGI заключается в их подходе к спектральной фильтрации. Узкополосный фильтр, установленный перед детектором (и охлаждаемый вместе с ним для предотвращения радиационного обмена), пропускает только излучение определенной длины волны, создавая чрезвычайно узкую полосу пропускания — метод, называемый спектральной адаптацией.

Большинство газообразных соединений проявляют зависящее от длины волны инфракрасное поглощение. Например, пропан и метан показывают отчетливые пики поглощения на определенных длинах волн. Фильтры камер OGI выравниваются с этими пиками поглощения, чтобы максимизировать обнаружение инфракрасной энергии, поглощаемой целевыми газами.

Например, большинство углеводородов поглощают энергию вблизи 3,3 микрометра, поэтому фильтр, центрированный на этой длине волны, может обнаруживать несколько газов. Некоторые соединения, такие как этилен, имеют несколько сильных полос поглощения, при этом длинноволновые датчики часто оказываются более чувствительными, чем средневолновые альтернативы для обнаружения.

Выбирая фильтры, которые позволяют камере работать только в пределах длин волн, где целевые газы проявляют сильные пики поглощения (или долины пропускания), технология повышает видимость газа. Газ эффективно «блокирует» больше фонового излучения в этих спектральных областях.

Камеры OGI используют характеристики инфракрасного поглощения определенных молекул для их визуализации в естественной среде. Матрица фокальной плоскости (FPA) и оптическая система камеры специально настроены для работы в чрезвычайно узких спектральных диапазонах (сотни нанометров), обеспечивая исключительную селективность. Обнаруживаются только газы, поглощающие в определенном фильтром инфракрасном диапазоне.

При визуализации сцены без утечек объекты фона излучают и отражают инфракрасное излучение через объектив и фильтр камеры. Фильтр пропускает только определенные длины волн к детектору, создавая изображение интенсивности излучения без компенсации. Если газовое облако существует между камерой и фоном — и поглощает излучение в полосе пропускания фильтра — к детектору через облако достигает меньше излучения.

Для видимости облака должен существовать достаточный радиационный контраст между облаком и фоном. По сути, излучение, выходящее из облака, должно отличаться от излучения, входящего в него. Поскольку отражение молекулярного излучения от облаков незначительно, критическим фактором становится очевидная разница температур между облаком и фоном.

• Целевой газ должен поглощать инфракрасное излучение в рабочем диапазоне камеры
• Газовое облако должно проявлять радиационный контраст с фоном
• Кажущаяся температура облака должна отличаться от фона
• Движение усиливает видимость облака
• Правильно откалиброванная возможность измерения температуры помогает в оценке Delta T (кажущейся разницы температур)

Делая невидимые утечки газа видимыми, технология оптической визуализации газа вносит значительный вклад в промышленную безопасность и защиту окружающей среды, помогая предотвращать несчастные случаи, сокращать выбросы и создавать более чистую и безопасную среду.