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新型空气质量监测系统可对甲烷气体泄漏进行动态监测
6392-12-22 15:22:39
美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员对基于频率梳激光光谱学的新型空气质量监测系统进行了现场测试，据他们描述，该系统结合大气反演模型可以对甲烷气体泄漏进行连续自动监测(《Optica》， doi：10.1364/OPTICA.5.000320)。研究人员报告说，在现场测试过程中，他们能够监测几平方公里范围内微量的甲烷泄露，其泄露速率相当于一个人休息时呼吸率的25%。
图示表示现场采用的移动式双频梳状激光进行泄露气体监测的过程。图片来源：Stephanie Sizemore and Ian Coddington/美国国家与技术研究所
便携式双梳激光光谱仪系统已经引起业界合作伙伴的关注，这些合作伙伴正在与研究团队合作，进一步开发和评估用于石油和天然气设施的系统。
从瞬时检测到连续监控
人类活动过程中产生的甲烷气体泄露不仅对公共安全构成威胁、导致气候变化，同时也给石油和天然气储存场所和加工厂造成了经济损失。目前，检测甲烷泄露最常用的方法之一是，人工使用红外线相机来检查大面积区域上的气体泄漏。这项工作费时费力，只提供了一个瞬时测量结果。还可以选择采用飞机和车载红外摄像机监测，但这些方法对于连续监测来说也是昂贵和不切实际的。
美国加州大学博尔德分校的团队声称，在诺贝尔奖获得者和加州大学博尔德分校的John Hall教授开发的频率梳技术的基础上，他们自主研发了一种连续监测系统，对甲烷检测的最新方法进行了改进。通过使用激光频率梳技术作为分光计的基础，研究人员创造了一种能够快速、准确地测量高分辨率、宽波段的具有甲烷气体分子的光吸收特征的工具。
在双梳状设置中把两个频率梳结合在一起，可以显著提高频率梳光谱仪的速度和光谱分辨率(参见“双梳谱”，OPN，2017年1月)。他们创新性地将双梳光谱与大气反演算法相结合，可以使监测单位精确定位气体泄漏的位置并计算其泄露速率。
双梳光谱仪的现场测试
在户外现场测试中，研究人员在加州大学博尔德分校的桌山研究设备上设置了双梳光谱仪。在一个360度旋转的基座上放置了一个19英寸的光谱仪，基座处于直径大约一公里的圆形中心，四周被反光镜环绕着。圆圈内随机放置了泄漏甲烷气体的气体罐。
当光谱仪打开时，它在一个反光镜方向上发出一个具有多波长的光束。如果光束经过甲烷气体云，气体分子会在光照射到镜子之前吸收了一定的波长，然后返回到探测器。通过观察吸收光的波长，研究人员可以确定圆形“凹陷”的特定部分是否含有甲烷气体。把大气反演模型应用到反射光束的数据中，研究人员能够计算并确定甲烷气体的位置和从气体罐泄露的速率。
在这些现场测试中，研究人员报告称，能够在一公里的范围内探测到每分钟低至1.6克的气体排放量，其排放速率比目前的方法低1000倍。他们还能够在多达五个潜在泄露源中探测到同时发生的两个气体泄漏。
该研究小组由加州大学博尔德分校、美国国家标准和技术研究所和美国国家海洋和大气管理局的成员组成。
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