Detección de gases

Los investigadores han descubierto una forma de utilizar el efecto fotoacústico para detectar los rastros más pequeños en el aire. Al detectar el sonido que se produce cuando la luz se combina con las moléculas, podemos detectar los componentes más pequeños del aire.

“En muchos sentidos, los efectos fotoacústicos ya son el método más práctico para detectar la contaminación atmosférica”.

“Sin embargo, cuando las moléculas que se desean detectar están concentradas en unas pocas partes por billón, la señal emitida por el gas es demasiado débil para detectarla. Para abordar este problema, desarrollamos un nuevo método que puede hacerlo. mejorar la detección fotoacústica de señales, con la que podemos detectar gases condensados ​​a niveles de gigaescala, estableciendo un récord dentro de nuestro conocimiento."

Ilustración: Incluso las moléculas de gas están concentradas. Hasta un nivel muy fino, esta nueva tecnología También puede detectar sustancias como contaminantes ambientales. Imagen de Gerald Diebold/Brown

El efecto fotoacústico se produce cuando gases, líquidos y sólidos absorben rayos de luz y hacen que se propaguen. Esta difusión es un movimiento mecánico que provoca que se produzcan ondas sonoras.

Alexander Graham Bell descubrió este efecto por primera vez en la década de 1880. Pero antes de la invención del láser, este descubrimiento tenía poco valor. El ancho de espectro de línea único y la poderosa energía del láser pueden hacer que la señal fotoacústica sea lo suficientemente fuerte como para alcanzar un nivel que pueda detectarse fácilmente.

El principio de funcionamiento del detector fotoacústico es ajustar la longitud de onda del láser, escanear rápidamente el material con el láser y realizar la función de detección cuando las moléculas absorben el láser. En un experimento fotoacústico típico, los investigadores encienden y apagan un rayo láser usando una frecuencia lo suficientemente sensible como para detectarlo con un micrófono, midiendo así todos los sonidos producidos por las ondas sonoras. Diferentes moléculas absorben luz a diferentes frecuencias, por lo que al ajustar la frecuencia del láser, el detector puede detectar sustancias específicas en el gas.

Por ejemplo, para detectar amoníaco en el aire, los investigadores pueden sintonizar un láser a una frecuencia específica para que sea absorbido por las moléculas de amoníaco. Luego se toma una muestra moviéndose rápidamente. Si las ondas sonoras correspondientes también se escuchan en el micrófono, significa que la muestra contiene amoníaco.

Sin embargo, cuanto menos concentrada esté la sustancia objetivo, más débil será la señal que se podrá detectar. Entonces el profesor Diebold y sus colegas utilizaron una técnica poco convencional para mejorar la amplitud de la señal.

"Nos basamos en tres vibraciones diferentes para detectar gases. Cada vibración aumenta la intensidad de la señal".

Además de un único rayo láser, el profesor Diebold y sus colegas también combinaron dos rayos con una frecuencia y un ángulo específicos. La combinación de los haces crea un patrón de interferencia alterno de dos luces llamado "rejilla". Cuando la frecuencia del láser es apropiada, la rejilla viajará en la celda de detección a la velocidad del sonido, creando el efecto de máxima amplitud.

El segundo modo de vibración se creó utilizando el cristal piezoeléctrico utilizado en el experimento. El cristal piezoeléctrico puede vibrar con precisión a la frecuencia requerida por el rayo láser combinado, y las pequeñas fuerzas de compresión en la onda de presión pueden inducir gradualmente el movimiento del cristal, aumentando la intensidad de la señal del gas. Este proceso es similar a cuando las personas empujan el columpio repetidamente para lograr el rango máximo de oscilación.

El tercer tipo de vibración se consigue ajustando la longitud de la cavidad. Debido a que el cristal está incrustado en la cavidad, cuando la mitad de las longitudes de onda de todas las ondas sonoras coinciden con la longitud de la cavidad, se producirá vibración.

Dado que la salida es un cristal piezoeléctrico, puede generar un voltaje que coincida con su propio movimiento oscilante. Al alimentar el cristal a amplificadores y componentes electrónicos sensibles, se pueden grabar señales de sonido.

En la Universidad de Shandong, los experimentos que utilizaron métodos de rejilla para detectar componentes del gas también tuvieron mucho éxito. Los investigadores pasaron tres meses sintetizando un cristal especial que responde fuertemente a las ondas de presión.

Los experimentos muestran que utilizando los tres métodos de vibración anteriores, los investigadores pueden detectar hexafluoruro de azufre al nivel de partes por gigabyte.

El profesor Diebold cree que esta tecnología se puede utilizar para el desarrollo de detectores. El detector desarrollado no sólo es muy sensible a trazas de contaminantes en gases concentrados, sino que también se puede utilizar para detectar aquellos que antes no podían absorber la luz. debido a la débil capacidad de absorción de luz de las moléculas detectadas.

Lo que sorprendió al profesor Diebold fue que, dado que la frecuencia involucrada en este experimento alcanzó cientos de kilohercios, ni el colector de electrones ni las fuentes de sonido externas interferirían con el experimento. Esto significa que se pueden realizar experimentos en una cámara abierta sin tener que aislar el ruido externo.

“Si estuvieras en un vertedero y trataras de detectar metano, podrías simplemente sostener un detector afuera y monitorear continuamente la salida de gas y detectarlo”.

Sin embargo, debido a la Debido al gran tamaño del equipo, esta tecnología aún no se puede utilizar en exteriores. Pero los investigadores dicen que el concepto para uso en exteriores es sólido. ¡Esperemos y veremos!

El personal de Tadpole está compilado de Futurity, traductor Qingkong Feiyan, la reimpresión requiere autorización