Ученые Института точной механики и оптики (ИТМО) предложили новый метод, который позволяет повысить фоточувствительность детекторов газоанализаторов. Такие приборы устанавливают, например, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, чтобы предупреждать утечку опасных газов. Разработчики технологии для этих целей решили использовать лазер: он модифицирует халькогенидные пленки, которые составляют основу детекторов газоанализаторов.
Продукты нефтепереработки (мазут, бензин, битум) сегодня применяют и на производстве, и в быту. Но при сгорании они вступают в реакцию с кислородом, в результате выделяются новые вещества ― например, горючие и токсичные для человека углекислый газ и метан. Чтобы обезопасить работников от утечек, на предприятиях по всему периметру устанавливают специальные газоанализаторы.
Такие приборы автоматически контролируют утечки газа за счет детектора, который создают из различных материалов, в том числе из халькогенидных пленок толщиной не более 1 микрометра. Пленки сделаны из селенида свинца — химического соединения с высокой чувствительностью к инфракрасному излучению. Детектор позволяет обнаружить газ за несколько десятков микросекунд. А чтобы газоанализатор смог уловить его еще точнее, на производствах таким пленкам придают чувствительность за счет термообработки. Однако пленки приходится вручную отжигать в печах открытого типа, а это сложно, и нет гарантии, что всегда удастся сделать продукт без брака.
Сотрудники Института лазерных технологий ИТМО разработали метод для повышения чувствительности детекторов газоанализаторов. Они предложили обрабатывать пленки (детектор) не термически, а с помощью лазера. Исследователи модифицировали халькогенидные пленки лазерным излучением с длиной волны 405 нанометров и 1064 нанометров. В результате им удалось улучшить оптические и электрические характеристики пленки.
Оптический газоанализатор действует так: источник инфракрасного лазерного излучения освещает чувствительный детектор (халькогенидную пленку), и прибор фиксирует электрические характеристики (сопротивление) в режиме реального времени. Если утечки газа нет, характеристики не меняются. Но как только возникает опасность, газ начинает поглощать инфракрасное излучение от источника. До детектора доходит меньшее количество излучения, и это влияет на фиксируемые выходные характеристики. Сигнал об утечке газа передается в систему, а она быстро сигнализирует, что нужно срочно принимать меры.
Еще одно преимущество технологии — ее автоматизированность. Достаточно один раз выставить нужные для модификации параметры в лазерной установке, чтобы потом постоянно получать одинаковые модифицированные пленки. Причем использовать для этого можно даже недорогое оборудование.
По словам разработчиков, все это позволяет применять метод на реальных производствах ― на нефте- и газоперерабатывающих заводах, в угольных шахтах, а также на других опасных производствах и в лабораториях, где есть риск утечки углекислого газа и метана.
«Определение конкретного типа газа зависит от источника излучения. Пока мы сосредоточились на обнаружении только углекислого газа и метана. Но в перспективе мы надеемся детектировать и другие опасные газы, например сероводороды. Для этого нам нужно уйти от узкополосных источников излучения и селектировать излучение на самой пленке. Это будет глобально новой технологией», — объяснила Анастасия Ольхова.
Исследование проводится при поддержке гранта РНФ, результаты опубликованы в международном научном журнале Applied Sciences.
