Ученые из IBM, Научно-исследовательский центр Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хитс, Нью-Йорк, разработал новый спектрометр метана, который меньшего размера, чем сегодняшние стандартные спектрометры и более экономичен, чтобы произвести. В Optica, журнале Оптического Общества для высокого исследования воздействия, исследователи детализируют новый спектрометр и показывают, что это может обнаружить метан в концентрациях всего 100 частей за миллион.Низкие эксплуатационные расходы, высокое воздействие
Спектрометр основан на кремниевой технологии фотоники, что означает, что это – оптическое устройство, сделанное из кремния, материал раньше делал компьютерные микросхемы. Поскольку тот же самый большой объем, производственные методы, используемые для компьютерных микросхем, могут быть применены, чтобы сделать основанный на чипе спектрометр метана, спектрометр наряду с жильем и источником питания от батареи или солнечной энергии, мог бы стоить всего нескольких сотен долларов, если произведено в больших количествах.«По сравнению со стоимостью десятков тысяч долларов для сегодняшних коммерчески доступных обнаруживающих метан оптических датчиков производство объема перевело бы к значительному суждению стоимости для спектрометра чипа», сказал Уильям Грин, лидер Исследовательской группы IBM. «Кроме того, без подвижных частей и никакого фундаментального требования для точного температурного контроля, этот тип датчика мог работать в течение многих лет с почти никаким обслуживанием».Такие недорогие, надежные спектрометры могли привести к захватывающим новым заявлениям.
Например, команда IBM работает с партнерами в нефтегазовой промышленности на проекте, который использовал бы спектрометры, чтобы обнаружить утечки метана, экономя компаниям время и деньги, вовлеченные в попытку найти и зафиксировать утечки, использующие лично контроль тысяч мест.«Во время добычи природного газа и распределения, метан может просочиться в воздух, когда оборудование на хорошо сбоях, клапаны застревают, или в трубопроводе есть трещина», сказал Грин. «Мы развиваем способ использовать этот спектрометр на чипе, чтобы создать сеть датчиков, которые могли быть распределены по кустовой площадке, например.
Данные из этих датчиков были бы обработаны с физическим программным обеспечением аналитики IBM, чтобы автоматически точно определить местоположение утечки, а также определить количество величины утечки».Метан – газ следа, классификация, данная газам, которые составляют меньше чем 1 процент из объема атмосферы Земли. Хотя исследователи продемонстрировали обнаружение метана, тот же самый подход мог использоваться для ощущения присутствия других отдельных газов следа.
Это могло также использоваться, чтобы обнаружить многократные газы одновременно.«Наше долгосрочное видение должно включить эти типы датчиков в дом и вещи, люди используют каждый день, такой как их сотовые телефоны или транспортные средства. Они могли быть полезны для обнаружения загрязнения, опасных уровней угарного газа или других молекул интереса», сказал Эрик Чжан, член исследовательской группы. «Поскольку этот спектрометр предлагает платформу для обнаружения мультиразновидностей, он мог также однажды использоваться для здоровья, контролирующего посредством анализа дыхания».
Сокращение спектрометраНовое устройство использует подход, известный как абсорбционная спектроскопия, которая требует лазерного света в длине волны, исключительно поглощенной измеряемой молекулой.
В традиционной установке абсорбционной спектроскопии лазер едет через воздух или свободное пространство, пока это не достигает датчика. Измерение света, который достигает датчика, показывает, сколько света было поглощено молекулами интереса к воздуху и может использоваться, чтобы вычислить, концентрация их представляют.Новая система использует аналогичный подход, но вместо установки свободного пространства, лазерные путешествия через узкий кремниевый волновод, который следует за змеиным образцом 10 сантиметров длиной сверху чипа, измеряющего 16 квадратных миллиметров. Часть света поймана в ловушку в волноводе, в то время как приблизительно 25 процентов света простираются за пределами кремния в атмосферный воздух, где это может взаимодействовать с молекулами газа следа, передающими поблизости волновод датчика.
Исследователи использовали близкий инфракрасный лазерный свет (длина волны на 1 650 миллимикронов) для обнаружения метана.Чтобы увеличить чувствительность устройства, следователи, тщательно измеренные и факторы, которыми управляют, которые способствуют шумовым и ложным поглотительным сигналам, точно настроили дизайн спектрометра и определили волновод геометрические параметры, которые приведут к благоприятным результатам.
Бок о бок сравнениеЧтобы сравнить работу нового спектрометра с тем из стандартного спектрометра свободного пространства, они поместили устройства в экологическую палату и выпустили концентрации, которыми управляют, метана.
Исследователи нашли, что основанный на чипе спектрометр предоставил точности наравне датчик свободного пространства несмотря на наличие на 75 процентов менее легкого взаимодействия с воздухом по сравнению с дизайном свободного пространства. Кроме того, фундаментальная чувствительность датчика чипа была определена количественно, измерив самое маленькое различимое изменение в концентрации метана, показав работу, сопоставимую со спектрометрами свободного пространства, разработанными в других лабораториях.«Хотя кремниевые системы фотоники – особенно те, которые используют изменения показателя преломления для ощущения – были исследованы ранее, инновационная часть нашей работы должна была использовать этот тип системы, чтобы обнаружить очень слабые поглотительные сигналы от маленьких концентраций метана и нашего всестороннего анализа шумовых и минимальных пределов обнаружения нашего чипа датчика», сказал Чжан.
Текущая версия спектрометра требует, чтобы свет вошел и вышел из чипа через оптоволокно. Однако исследователи работают, чтобы включить источник света и датчики на чип, который создал бы чрезвычайно электрическое устройство без требуемых связей волокна. В отличие от текущих датчиков свободного пространства, чип тогда не требует специальной типовой или оптической подготовки. В следующем году они планируют начать полевые испытания спектрометры, размещая их в большую сеть, которая включает другие стандартные датчики.
«Наша работа показывает, что все знание позади кремниевого производства фотоники, упаковки и составляющего дизайна может быть принесено в оптическое пространство датчика, чтобы построить произведенный большой объем и, в принципе, недорогие датчики, в конечном счете позволив совершенно новый набор заявлений на эту технологию», сказал Грин.