Yeni Optik Teknoloji Tehlikeli Gaz Sızıntılarını Etkin Bir Şekilde Tespit Ediyor

Çevresel riskler ve güvenlik tehlikeleri oluşturabilecek renksiz, kokusuz gaz kaçaklarını "görebilme" yeteneğini hayal edin. Optik gaz görüntüleme (OGI) teknolojisi, aksi takdirde görünmez gaz emisyonlarını görselleştirerek bunu mümkün kılar. Bilim kurgudan çok uzak, titiz bilimsel ilkelere dayanan bu gelişmiş mühendislik çözümü, endüstriyel güvenlik ve çevresel koruma için vazgeçilmez bir araç haline geliyor.

Temelinde, OGI kameraları, kızılötesi veya termal görüntüleme kameralarının son derece uzmanlaşmış versiyonlarını temsil eder. Temel bileşenleri arasında lensler, dedektörler, sinyal işleme elektroniği ve görüntü ekranı için vizörler veya ekranlar bulunur. Onları geleneksel kızılötesi kameralardan ayıran şey, belirli gaz emilim dalga boylarına duyarlı kuantum dedektörlerinin kullanımı ve gaz kaçaklarını "yakalamalarını" sağlayan benzersiz optik filtreleme teknolojisi ile birleştirilmesidir.

OGI kameraları, tipik olarak yaklaşık 70 Kelvin (-203°C) civarında son derece düşük sıcaklıklarda çalışması gereken kuantum dedektörleri kullanır. Bu gereklilik, temel fizikten kaynaklanmaktadır: oda sıcaklığında, dedektör malzemesindeki elektronlar, malzemeyi iletken hale getiren, iletim bandına sıçramak için yeterli enerjiye sahiptir. Kriyojenik sıcaklıklara soğutulduğunda, elektronlar bu hareketliliği kaybeder ve malzeme iletken olmayan hale gelir. Bu durumda, belirli enerjideki fotonlar dedektöre çarptığında, değerlik bandından iletim bandına elektronları uyararak, gelen radyasyon yoğunluğuyla orantılı bir fotoakım üretir.

Hedef gaza bağlı olarak, OGI kameraları tipik olarak iki tür kuantum dedektör kullanır:

• Orta dalga kızılötesi (MWIR) kameralar: Metan ve benzeri gazları tespit etmek için kullanılır, 3-5 mikrometre aralığında çalışır ve 173K (-100°C) altında soğutma gerektiren indiyum antimonit (InSb) dedektörleri kullanır.
• Uzun dalga kızılötesi (LWIR) kameralar: Kükürt hekzaflorür gibi gazlar için tasarlanmıştır, 8-12 mikrometre aralığında çalışır ve daha düşük sıcaklıklar (70K/-203°C veya altında) gerektiren kuantum kuyulu kızılötesi fotodedektörler (QWIP'ler) kullanır.

Foton enerjisinin, elektron geçişlerini tetiklemek için dedektör malzemesinin bant aralığı enerjisinden (ΔE) daha fazla olması gerekir. Foton enerjisi dalga boyu ile ters orantılı olduğundan, kısa/orta dalga kızılötesi dedektörler, uzun dalga dedektörlerinden daha yüksek enerji gerektirir—ikincisinin neden daha düşük çalışma sıcaklıklarına ihtiyaç duyduğunu açıklar.

Gerekli kriyojenik ortamı sürdürmek için, çoğu OGI kamerası Stirling soğutucuları kullanır. Bu cihazlar, ısıyı soğuk uçtan (dedektör) sıcak uca dağıtmak için Stirling döngüsünü kullanır. Yüksek verimli olmamakla birlikte, Stirling soğutucuları kızılötesi kamera dedektörünün soğutma gereksinimlerini yeterince karşılar.

Odak düzlemi dizisindeki (FPA) her dedektör, kazanç ve ofsette küçük farklılıklar gösterdiğinden, görüntüler kalibrasyon ve tekdüzelik düzeltmesi gerektirir. Kamera yazılımı tarafından otomatik olarak gerçekleştirilen bu çok adımlı kalibrasyon süreci, yüksek kaliteli termal görüntüleme çıktısı sağlar.

OGI kameralarının gaza özgü tespitinin anahtarı, spektral filtreleme yaklaşımlarında yatar. Dedektörün önüne (ve radyatif değişimi önlemek için onunla birlikte soğutulur) takılan dar bant filtresi, yalnızca belirli dalga boyu radyasyonun geçmesine izin vererek, son derece dar bir iletim bandı oluşturur—spektral adaptasyon olarak adlandırılan bir teknik.

Çoğu gaz halindeki bileşik, dalga boyuna bağlı kızılötesi emilim sergiler. Örneğin, propan ve metan, belirli dalga boylarında belirgin emilim zirveleri gösterir. OGI kamera filtreleri, hedef gazlar tarafından emilen kızılötesi enerjinin tespitini en üst düzeye çıkarmak için bu emilim zirveleriyle hizalanır.

Örneğin, çoğu hidrokarbon 3,3 mikrometre civarında enerji emer, bu nedenle bu dalga boyunda ortalanmış bir filtre birden fazla gazı tespit edebilir. Etilen gibi bazı bileşikler, uzun dalga sensörlerinin tespit için orta dalga alternatiflerinden daha hassas olduğu kanıtlanan birden fazla güçlü emilim bandına sahiptir.

Yalnızca hedef gazların güçlü emilim zirveleri (veya iletim vadileri) sergilediği dalga boylarında kamera çalışmasına izin veren filtreler seçilerek, teknoloji gaz görünürlüğünü artırır. Gaz, bu spektral bölgelerde daha fazla arka plan radyasyonunu etkili bir şekilde "engeller".

OGI kameraları, belirli moleküllerin kızılötesi emilim özelliklerinden yararlanarak bunları doğal ortamlarda görselleştirir. Kameranın FPA'sı ve optik sistemi, son derece dar spektral bantlarda (yüzlerce nanometre) çalışacak şekilde özel olarak ayarlanmıştır ve olağanüstü bir seçicilik sağlar. Yalnızca filtre tanımlı kızılötesi bölgede emilim yapan gazlar tespit edilebilir.

Kaçak olmayan bir sahneyi görüntülerken, arka plan nesneleri kameranın lensi ve filtresi aracılığıyla kızılötesi radyasyon yayar ve yansıtır. Filtre, yalnızca belirli dalga boylarını dedektöre ileterek, telafi edilmemiş bir radyasyon yoğunluğu görüntüsü üretir. Kamera ile arka plan arasında bir gaz bulutu varsa—ve filtrenin geçiş bandında radyasyon emiyorsa—bulut aracılığıyla dedektöre daha az radyasyon ulaşır.

Bulut görünürlüğü için, bulut ve arka plan arasında yeterli radyatif kontrastın olması gerekir. Esasen, buluttan çıkan radyasyon, ona giren radyasyondan farklı olmalıdır. Bulutlardan moleküler radyasyon yansıması ihmal edilebilir olduğundan, kritik faktör, bulut ve arka plan arasındaki belirgin sıcaklık farkı haline gelir.

• Hedef gaz, kameranın çalışma bandında kızılötesi radyasyon emmelidir
• Gaz bulutu, arka planla radyatif kontrast sergilemelidir
• Bulutun görünür sıcaklığı arka plandan farklı olmalıdır
• Hareket, bulut görünürlüğünü artırır
• Düzgün bir şekilde kalibre edilmiş sıcaklık ölçüm yeteneği, Delta T (görünür sıcaklık farkı) değerlendirmesine yardımcı olur

Görünmez gaz kaçaklarını görünür hale getirerek, optik gaz görüntüleme teknolojisi, endüstriyel güvenlik ve çevresel korumaya önemli ölçüde katkıda bulunur—kazaları önlemeye, emisyonları azaltmaya ve daha temiz, daha güvenli ortamlar yaratmaya yardımcı olur.