선택적 레이저

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1573(2023) 이 기사 인용

1168 액세스

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

비산 메탄 배출의 정량화를 위한 중적외선 레이저 기반 센서가 보고되었습니다. 이 센서는 3.3μm 근처에서 작동하는 분산 피드백 대역 간 캐스케이드 레이저를 기반으로 합니다. 켑스트럴 분석을 통한 파장 조정은 (1) 기본 레이저 강도의 변동 및 (2) 간섭 종으로부터 메탄 흡광도를 분리하는 데 사용됩니다. 켑스트럴 분석은 수정된 형태의 시간 영역 분자 자유 유도 감쇠(m-FID) 신호를 생성하여 광학적 반응과 분자적 반응을 일시적으로 분리합니다. 개발된 센서는 기본 레이저 강도 결함과 다른 종의 스펙트럼 간섭에 둔감합니다. 대표적인 간섭 종인 벤젠이 있는 상태에서 메탄의 정확한 측정은 스캔 지수(레이저 튜닝 범위 대 스펙트럼 선폭의 비율)와 m-FID 신호 피팅의 초기 및 최종 시간을 신중하게 선택하여 수행됩니다. 센서의 최소 감지 한계는 ~ 110ppm이며 광학 공동으로 향상될 수 있습니다. 제안된 감지 전략은 열악한 환경과 환경 모니터링 응용 분야에서 간섭 종이 있는 경우 메탄 누출을 측정하는 데 활용될 수 있습니다.

메탄은 많은 행성계에 존재하기 때문에 중요한 천체 물리학적 응용을 갖고 있으며1 토성, 타이탄, 목성, 천왕성, 화성, 명왕성2의 대기에서 검출되었습니다. 인간의 호흡에 포함된 미량의 메탄은 장 문제 및 결장 발효에 대한 바이오마커로 사용될 수 있습니다3.

메탄은 수증기와 이산화탄소에 이어 지구 대기에서 세 번째로 중요한 온실가스이며4, 인위적 활동으로 인해 그 농도가 꾸준히 증가해 왔습니다5. 인위적 메탄 배출량은 자연 발생량의 거의 두 배이므로6, 메탄은 온실가스 재고량 감소의 핵심 목표입니다. 기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCG)은 정책 입안자들에게 지구 온난화 가스의 배출을 측정하고 제한하는 방법을 개발하도록 요청했습니다7. 메탄은 기후 변화의 주요 원인이며 지구 온난화 잠재력은 CO28에 비해 약 25배 더 큽니다. 메탄은 현재 온난화의 ~25%에 기여하므로 메탄 배출을 줄이는 것이 필수적입니다9. 완화 전략을 긴급하게 추구하면 온난화 속도를 줄이고 2050년까지 0.25°C 증가, 2100년까지 0.5°C 이상 증가하는 것을 방지할 수 있습니다1. 메탄 배출을 완화하기 위해 수많은 감지 기술이 개발되었습니다11.

메탄은 천연가스(NG)의 주성분(\(\sim \) 90%)입니다. 천연가스/공기 혼합물의 우발적 폭발은 사람들의 생명, 물질, 정신 건강 측면에서 매우 큰 손실을 입힙니다12. 2012년 리치먼드힐 폭발사고는 부분적으로 밀폐된 공간에 축적된 메탄이 대량으로 누출되어 발화되어 참사로 이어졌기 때문에 발생했습니다13. 천체 물리학적 폭발은 폭연-폭발 전이(DDT)와 연관되어 있으며, 이는 메탄/공기 혼합물이 포함된 채널에서 조사되었습니다12.

흡수 분광법은 다양한 시스템14,15에서 정량적이고 비침해적인 측정을 제공합니다. 가스 감지 응용 분야에서 메탄 감지를 위해 수많은 레이저 흡수 센서가 개발되었습니다. 이 센서는 메탄 흡수 스펙트럼의 중적외선 및 근적외선 영역 모두에서 개발되었습니다. 대부분의 탄화수소의 흡수 강도가 근적외선 영역에 비해 중적외선에서 훨씬 더 높기 때문에 중적외선 레이저 소스가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 메탄의 2v3 대역에 접근하기 위해 약 1.6μm 근적외선 영역에서 작동하는 분산 피드백(DFB) 다이오드 레이저를 사용하여 대기 메탄 센서를 개발하기 위해 직접 흡수 및 광음향 기술이 사용되었습니다. 또한 v3 메탄 회전 진동 밴드23,24,25,26,27를 커버하기 위해 약 3.3-3.4μm를 방출하는 차동 주파수 생성(DFG) 소스를 사용하여 중적외선 메탄 센서가 보고되었습니다. 최근 양자 캐스케이드 레이저(QCL)를 사용하면 메탄의 ν4 밴드를 대상으로 8μm 근처의 메탄 감지가 가능해졌습니다.