研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的傳感器，該傳感器使用帶間級聯(lián)發(fā)光器件（ICLED），可以對低濃度的甲烷進行實用且低成本的檢測。

研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型傳感器，可以對低濃度的甲烷氣體進行實用且低成本的檢測。測量甲烷的排放量和泄漏量對許多行業(yè)都很重要，因為氣體會導(dǎo)致全球變暖和空氣污染。

普林斯頓大學(xué)研究小組負責(zé)人馬克·宗德洛（Mark Zondlo）說：“農(nóng)業(yè)和廢物工業(yè)排放大量甲烷。” “由于環(huán)境和經(jīng)濟原因，檢測甲烷泄漏對石油和天然氣行業(yè)也至關(guān)重要，因為天然氣主要由甲烷組成�！�

在光學(xué)學(xué)會（OSA）雜志光學(xué)快報，從普林斯頓大學(xué)和美國海軍研究實驗室的研究人員展示他們的新的氣體傳感器，它采用了帶間級聯(lián)光發(fā)射裝置（ICLED）來檢測甲烷濃度低至百萬分之0.1。ICLED是一種新型的高功率LED，它發(fā)出中紅外（IR）波長的光，可用于測量許多化學(xué)物質(zhì)。

該論文的第一作者內(nèi)森·李說：“我們希望這項研究最終將為低成本，準確和敏感的甲烷測量打開大門�！� “這些傳感器可以用來更好地了解牲畜和奶牛場的甲烷排放，并能夠更準確，更廣泛地監(jiān)測氣候危機�！�

建立一個便宜的傳感器

目前，基于激光的傳感器是甲烷檢測的黃金標準，但每個傳感器的成本在10,000美元至100,000美元之間。使用基于激光的傳感器來實現(xiàn)掩埋，石化設(shè)施，廢水處理廠或農(nóng)場中的泄漏的傳感器網(wǎng)絡(luò)的實施成本將過高。

盡管已使用中紅外LED證明了甲烷檢測功能，但性能受到可用設(shè)備產(chǎn)生的低光強度的限制。為了大幅提高靈敏度并開發(fā)一種實用的甲烷監(jiān)測系統(tǒng)，研究人員使用了美國海軍研究實驗室的杰里·邁耶（Jerry Meyer）團隊開發(fā)的新型ICLED。

為了提高靈敏度，大功率ICLED發(fā)出的紅外光穿過包含空氣樣本的1米長的空心光纖。光纖的內(nèi)部鍍有銀，當光沿光纖向下傳播到另一端的光電探測器（用于HgCdTe探測器的MCT）時，這會使光從其表面反射出去。這允許光與空氣中的其他甲烷分子相互作用，從而導(dǎo)致更高的光吸收率。圖片來源：普林斯頓大學(xué)李娜森（Nathan Li）

邁耶說：“我們開發(fā)的ICLED發(fā)射的功率大約是市售中紅外LED產(chǎn)生的功率的十倍，并且有可能批量生產(chǎn)�！� “這將使基于ICLED的傳感器的價格低于每個傳感器100美元�！�

為了測量甲烷，新傳感器測量了在沒有甲烷的情況下通過清潔空氣傳輸?shù)募t外光，并將其與通過含甲烷的空氣進行傳輸?shù)募t外光進行了比較。為了提高靈敏度，研究人員將高功率ICLED發(fā)出的紅外光通過一條長1米的包含空氣樣本的空心光纖。光纖的內(nèi)部鍍有銀，當光沿著光纖向下傳播到另一端的光電探測器時，這會使光從其表面反射出去。這允許光與空氣中的其他甲烷分子相互作用，從而導(dǎo)致更高的光吸收率。

李說：“反射鏡通常用于多次來回反射光，以提高傳感器的靈敏度，但體積很大，需要精確對準�！� “空心纖芯纖維緊湊，需要少量的樣氣，并且具有機械柔韌性�！�

最多可測量基于激光的傳感器

為了測試這種新傳感器，研究人員將已知濃度的甲烷流入空心纖維，并將樣品的紅外透射率與基于激光的最新傳感器進行了比較。ICLED傳感器能夠檢測到低至百萬分之0.1的濃度，同時與校準的標準液和基于激光的傳感器顯示出極好的一致性。

李說：“這種精確度足以監(jiān)測甲烷污染源附近的排放�！� “可以安裝這些傳感器的陣列來測量大型設(shè)施中的甲烷排放量，從而使操作員能夠負擔得起，迅速地檢測到泄漏并減輕泄漏。”

研究人員計劃通過研究提高中空纖維機械穩(wěn)定性的方法來改進傳感器的設(shè)計，使其可用于長期現(xiàn)場測量。他們還將研究極端天氣條件以及環(huán)境濕度和溫度的變化如何影響系統(tǒng)。由于可以通過使用中紅外光來識別大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學(xué)物質(zhì)，因此甲烷傳感器也可以適用于檢測其他重要氣體。