美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員對(duì)基于頻率梳激光光譜學(xué)的新型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，據(jù)他們描述，該系統(tǒng)結(jié)合大氣反演模型可以對(duì)甲烷氣體泄漏進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)(《Optica》， doi：10.1364/OPTICA.5.000320)。研究人員報(bào)告說，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，他們能夠監(jiān)測(cè)幾平方公里范圍內(nèi)微量的甲烷泄露，其泄露速率相當(dāng)于一個(gè)人休息時(shí)呼吸率的25%。

便攜式雙梳激光光譜儀系統(tǒng)已經(jīng)引起業(yè)界合作伙伴的關(guān)注，這些合作伙伴正在與研究團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)一步開發(fā)和評(píng)估用于石油和天然氣設(shè)施的系統(tǒng)。

從瞬時(shí)檢測(cè)到連續(xù)監(jiān)控

人類活動(dòng)過程中產(chǎn)生的甲烷氣體泄露不僅對(duì)公共安全構(gòu)成威脅、導(dǎo)致氣候變化，同時(shí)也給石油和天然氣儲(chǔ)存場(chǎng)所和加工廠造成了經(jīng)濟(jì)損失。目前，檢測(cè)甲烷泄露最常用的方法之一是，人工使用紅外線相機(jī)來檢查大面積區(qū)域上的氣體泄漏。這項(xiàng)工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，只提供了一個(gè)瞬時(shí)測(cè)量結(jié)果。還可以選擇采用飛機(jī)和車載紅外攝像機(jī)監(jiān)測(cè)，但這些方法對(duì)于連續(xù)監(jiān)測(cè)來說也是昂貴和不切實(shí)際的。

美國加州大學(xué)博爾德分校的團(tuán)隊(duì)聲稱，在諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和加州大學(xué)博爾德分校的John Hall教授開發(fā)的頻率梳技術(shù)的基礎(chǔ)上，他們自主研發(fā)了一種連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)甲烷檢測(cè)的最新方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過使用激光頻率梳技術(shù)作為分光計(jì)的基礎(chǔ)，研究人員創(chuàng)造了一種能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量高分辨率、寬波段的具有甲烷氣體分子的光吸收特征的工具。

在雙梳狀設(shè)置中把兩個(gè)頻率梳結(jié)合在一起，可以顯著提高頻率梳光譜儀的速度和光譜分辨率(參見“雙梳譜”，OPN，2017年1月)。他們創(chuàng)新性地將雙梳光譜與大氣反演算法相結(jié)合，可以使監(jiān)測(cè)單位精確定位氣體泄漏的位置并計(jì)算其泄露速率。

雙梳光譜儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在戶外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，研究人員在加州大學(xué)博爾德分校的桌山研究設(shè)備上設(shè)置了雙梳光譜儀。在一個(gè)360度旋轉(zhuǎn)的基座上放置了一個(gè)19英寸的光譜儀，基座處于直徑大約一公里的圓形中心，四周被反光鏡環(huán)繞著。圓圈內(nèi)隨機(jī)放置了泄漏甲烷氣體的氣體罐。

當(dāng)光譜儀打開時(shí)，它在一個(gè)反光鏡方向上發(fā)出一個(gè)具有多波長(zhǎng)的光束。如果光束經(jīng)過甲烷氣體云，氣體分子會(huì)在光照射到鏡子之前吸收了一定的波長(zhǎng)，然后返回到探測(cè)器。通過觀察吸收光的波長(zhǎng)，研究人員可以確定圓形“凹陷”的特定部分是否含有甲烷氣體。把大氣反演模型應(yīng)用到反射光束的數(shù)據(jù)中，研究人員能夠計(jì)算并確定甲烷氣體的位置和從氣體罐泄露的速率。

在這些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，研究人員報(bào)告稱，能夠在一公里的范圍內(nèi)探測(cè)到每分鐘低至1.6克的氣體排放量，其排放速率比目前的方法低1000倍。他們還能夠在多達(dá)五個(gè)潛在泄露源中探測(cè)到同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)氣體泄漏。