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，因為氣體會導致全球變暖和空氣污染。

普林斯頓大學研究小組負責人馬克·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)也至關重要，因為天然氣主要由甲烷組成�！�

在光學學會（OSA）雜志光學快報，從普林斯頓大學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，石化設施，廢水處理廠或農(nóng)場中的泄漏的傳感器網(wǎng)絡的實施成本將過高。

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，從而導致更高的光吸收率。圖片來源：普林斯頓大學李娜森（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物質(zhì)，因此甲烷傳感器也可以適用于檢測其他重要氣體。