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【技術(shù)創(chuàng)新】基于芯片的微型甲烷分光計(jì)可以幫助減少溫室氣體排放

作者:來源:發(fā)布時(shí)間:2018-01-05

2017年10月31日

這幅藝術(shù)效果圖描繪了新型硅光子吸收光譜儀,它的體積比110美分硬幣(dime)還小,可以采用大批量計(jì)算機(jī)芯片制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)?;诓▽?dǎo)外突出的紅外光部分被甲烷分子吸收,可以獲取甲烷濃度的光譜值。

  從地球上開采天然氣或通過管道輸送天然氣的過程中可以將甲烷釋放到大氣中。甲烷是天然氣的主要組成部分,它是一種溫室氣體,其增溫潛力大約是二氧化碳的25倍,使其在捕獲大氣熱能方面非常有效。一個(gè)基于芯片的,比1枚10美分硬幣(dime)還小的新型甲烷光譜儀,也許有一天可以更容易地對廣大區(qū)域甲烷泄漏進(jìn)行有效監(jiān)測。

  來自美國紐約州Yorktown Heights的IBM Thomas J . Watson研究中心的科學(xué)家們開發(fā)出了新型甲烷光譜儀,它比今天的標(biāo)準(zhǔn)光譜儀體積要小,而且制造成本更為經(jīng)濟(jì)。在光學(xué)學(xué)會(huì)高影響力研究期刊《Optica》中,研究人員詳細(xì)介紹了這一新的光譜儀,并展示它能探測到低至百萬分之一濃度的甲烷值。

低維護(hù)成本、高影響

  該光譜儀基于硅光電技術(shù),這意味著它是一種由硅材料制成的光學(xué)器件,是用于制造計(jì)算機(jī)芯片的材料。因?yàn)橛糜谟?jì)算機(jī)芯片的大批量生產(chǎn)方法可以用于制造芯片型甲烷分光計(jì),因此,如果大批量生產(chǎn)的話,一個(gè)芯片型甲烷分光計(jì),連同外殼和一個(gè)電池或太陽能電源的成本可能只有幾百美元。

  該IBM研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人William Green指出,相對于今天市面上價(jià)格為數(shù)萬美元的商用甲烷探測光學(xué)傳感器,批量制造將可能賦予芯片分光儀重要價(jià)值。此外,由于沒有移動(dòng)部件,也沒有精確溫度控制的基本要求,這種傳感器可以在幾乎不需要維護(hù)的情況下運(yùn)行多年。

  這種低成本、可靠的分光計(jì)會(huì)帶來許多有趣的新應(yīng)用。例如,IBM團(tuán)隊(duì)正在與石油和天然氣行業(yè)合作伙伴進(jìn)行合作,在一個(gè)項(xiàng)目中,將使用這種光譜儀來探測甲烷泄漏,從而為公司節(jié)省大量的時(shí)間和金錢成本,這些公司目前通過員工在數(shù)千個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行泄漏發(fā)現(xiàn)和修復(fù)檢測。

  Green表示,在天然氣開采和分送過程中,當(dāng)開采井設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)、閥門被卡住或出現(xiàn)管道裂縫時(shí),甲烷會(huì)泄漏到空氣中。例如,他們正在開發(fā)一種方法,利用這種光譜芯片制造一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò),可以安置于一個(gè)開采井墊上。這些傳感器的數(shù)據(jù)將用IBM物理分析軟件進(jìn)行處理,自動(dòng)定位泄漏位置,量化泄漏量。

  甲烷是一種微量氣體,只占地球大氣總量不到1%。研究人員驗(yàn)證了甲烷的檢測,同樣方法也可以用于測定其他個(gè)別微量氣體的存在。它也可以用來同時(shí)探測多種氣體。

  該研究團(tuán)隊(duì)成員之一Eric Zhang指出,他們的長期目標(biāo)是將這些類型的傳感器融入到人們每天使用的家庭和日常用品,比如:手機(jī)或汽車。此光譜儀可能對污染檢測、一氧化碳的危險(xiǎn)水平或其他相關(guān)微粒監(jiān)測有用。因?yàn)檫@個(gè)光譜儀提供了一個(gè)多類型氣體的檢測平臺(tái),也許某一天可以通過呼吸分析進(jìn)行健康監(jiān)測。

光譜儀新系統(tǒng)

  這種新裝置采用了一種叫做吸收光譜的光譜學(xué)方法,它要求通過專一吸收某一波長激光的微粒進(jìn)行測量。在傳統(tǒng)的吸收光譜裝置中,激光穿過空氣或自由空間,直到探測器為止。測量到達(dá)探測器的光,就能顯示出在空氣中被測顆粒吸收了多少光,可以用來計(jì)算它們的濃度。

  新系統(tǒng)采用了類似的方法,取代了自由空間設(shè)置,激光通過一個(gè)狹窄的硅波導(dǎo),在一個(gè)直徑為16平方毫米的芯片上形成一個(gè)10厘米長的蛇形圖案。

  一些光被困在波導(dǎo)里,約25%的光從硅外擴(kuò)展到周圍空氣中,在那里它可以與通過附近傳感器波導(dǎo)的微量氣體顆粒相互作用。研究人員使用近紅外激光(1650納米波長)對甲烷進(jìn)行監(jiān)測。

  為了提高儀器的靈敏度,研究人員仔細(xì)測量并控制了導(dǎo)致噪聲和假吸收信號的因素,對光譜儀的設(shè)計(jì)進(jìn)行了微調(diào),并確定波導(dǎo)幾何參數(shù),從而產(chǎn)生良好結(jié)果。

并排比較

  為了將新型光譜儀性能與標(biāo)準(zhǔn)自由空間光譜儀性能進(jìn)行比較,他們將這兩種儀器放入一個(gè)環(huán)境室,并釋放了控制濃度的甲烷。

  研究人員發(fā)現(xiàn),與自由空間設(shè)計(jì)相比(盡管與空氣的互動(dòng)減少了75%),以芯片為基礎(chǔ)的光譜儀提供的精確度與自由空間傳感器的精確度不相上下。

  此外,通過測量甲烷濃度最小可識別的變化,量化芯片傳感器的基本靈敏度,顯示出與其他實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的自由空間光譜儀類似的性能。

  Eric Zhang指出,盡管硅光電系統(tǒng)——尤其是那些使用感應(yīng)折射率變化的感應(yīng),已經(jīng)在前階段進(jìn)行了探索,他們研究工作的創(chuàng)新之處是使用這種類型的系統(tǒng)對從微量甲烷濃度中獲取的非常微弱的吸收信號和他們的噪音全面分析和其傳感器芯片最小檢測限制進(jìn)行檢測。

  該光譜儀目前的版本要求光通過光纖進(jìn)行芯片接入和輸出。然而,研究人員正在努力將光源和探測器整合到芯片上,這將創(chuàng)造出一種不需要光纖連接的電子儀器。與目前的自由空間傳感器不同,芯片不需要專門取樣或光學(xué)制劑。明年,他們計(jì)劃開始實(shí)地測試光譜儀,將其放入一個(gè)包括其他現(xiàn)成的傳感器在內(nèi)的更大網(wǎng)絡(luò)中。

  Green表示,他們的研究表明,硅光電制造、包裝和組件設(shè)計(jì)的所有知識都可以被引入光學(xué)傳感器空間,進(jìn)行大批量制造。大體上說,通過低成本傳感器,最終實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的一套全新應(yīng)用。

  原文題目:Tiny chip-based methane spectrometer could help reduce greenhouse gas emissions

  資料來源:http://www.terradaily.com/reports/Tiny_chip_based_methane_spectrometer_could_help_reduce_greenhouse_gas_emissions_999.html

 

  (王化編譯,殷永元審核)

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