Детекторы
Камера для оптической визуализации газов может рассматриваться как узкоспециализированная версия инфракрасной или тепловизионной камеры. У нее есть объектив, детектор, электроника для обработки сигнала от детектора, а также видоискатель или экран, чтобы пользователь мог увидеть изображение, полученное с помощью камеры. Детекторы, используемые в камерах для оптической визуализации газов, являются квантовыми детекторами, которые требуют охлаждения до криогенных температур (около 70 K или -203 °C). Средневолновые камеры, которые обнаруживают такие газы, как метан, обычно работают в диапазоне 3-5 мкм и используют детектор из антимонида индия (InSb). Длинноволновые камеры, которые обнаруживают такие газы, как шестифтористая сера, как правило, работают в диапазоне 8-12 мкм и используют инфракрасный фотодетектор на квантовой яме (Quantum Well Infrared Photodetector – QWIP).
Когда материалы, используемые для квантовых детекторов, находятся при комнатной температуре, их электроны находятся на разных энергетических уровнях. Некоторые электроны обладают достаточной тепловой энергией, чтобы находиться в зоне проводимости, то есть электроны там свободно перемещаются, и материал может проводить электрический ток. Однако большинство электронов находится в валентной зоне, где они не создают никакого тока, потому что не могут свободно двигаться.
Когда материал охлаждается до достаточно низкой температуры, которая изменяется в зависимости от выбранного материала, тепловая энергия электронов может стать настолько низкой, что ни один из них не сможет достичь зоны проводимости. Поэтому материал не может проводить никакого тока. Когда эти материалы подвергаются воздействию падающих фотонов, а фотоны обладают достаточной энергией, эта энергия активизирует электроны в валентной зоне, заставляя их двигаться вверх в зону проводимости. Теперь материал (детектор) может проводить фототок, который пропорционален интенсивности падающего излучения.
Существует очень точный энергетический порог для падающих фотонов, который позволяет электрону перейти из валентной зоны в зону проводимости. Эта энергия связана с определенной длиной волны – критической длиной волны. Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны, то в коротковолновом или средневолновом диапазоне энергии выше, чем в длинноволновом диапазоне. Поэтому, как правило, рабочие температуры для длинноволновых детекторов ниже, чем для коротковолновых и средневолновых детекторов. Для средневолнового детектора из InSb необходимая температура должна быть меньше 173 К (-100 °С), хотя он может работать и при гораздо более низкой температуре. В то время как длинноволновый детектор QWIP обычно должен работать при температуре около 70 K (-203 °C) или ниже. Длина волны падающего фотона и его энергия должны быть достаточны для преодоления ширины запрещенной зоны, ΔE.
Способ охлаждения
Детекторы в большинстве камер для оптической визуализации газов охлаждаются с помощью охладителей Стирлинга. Процесс Стирлинга отводит тепло от холодного пальца (рис.1) и рассеивает его на теплой стороне. Эффективность этого типа охладителя относительно низкая, но она достаточна для охлаждения детектора ИК-камеры.
Рисунок 1. Встроенный охладитель Стирлинга, работающий с газообразным гелием, может охладить детектор до -196 ºC или иногда ниже
Нормализация изображения
Другая сложность заключается в том, что каждый отдельный детектор в матрице фокальной плоскости (FPA) имеет несколько отличающийся коэффициент усиления и нулевое смещение. Для создания полезного термографического изображения отличающиеся коэффициенты усиления и смещения должны быть скорректированы до нормализованного значения. Этот многоступенчатый процесс калибровки выполняется программным обеспечением камеры. Заключительным этапом в этом процессе является коррекция неоднородности (Non-Uniformity Correction – NUC). В измерительных камерах эта калибровка выполняется камерой автоматически. В камере для оптической визуализации газов калибровка выполняется вручную. Это связано с тем, что камера не имеет внутреннего затвора для предоставления детектору однородного источника температуры.
Конечным результатом является термографическое изображение, которое точно отображает относительные температуры по всему целевому объекту или пространству. Никакая компенсация излучательной способности или излучения от других объектов, которое отражается от целевого объекта обратно в камеру (отраженная кажущаяся температура), не производится. Изображение является истинным изображением интенсивности излучения независимо от источника теплового излучения.
Спектральная адаптация
Камера для оптической визуализации газов использует уникальный метод спектрального фильтра, который позволяет ей обнаруживать газовое соединение. Фильтр устанавливается перед детектором и охлаждается вместе с ним, чтобы предотвратить любой лучистый теплообмен между фильтром и детектором. Фильтр ограничивает длины волн излучения, которые могут проходить через детектор, до очень узкой полосы, называемой полосой пропускания. Этот метод называется спектральной адаптацией.
Рисунок 2. Внутренняя конструкция основного элемента оптической визуализации газов
Спектры инфракрасного поглощения газа
Для большинства газовых соединений инфракрасные характеристики поглощения зависят от длины волны. На рис. 3А и 3B пик поглощения для пропана и метана наглядно проявляется за счет резкого падения линий пропускания на графиках. Желтые области представляют собой выборочный спектральный фильтр, используемый в камере для оптической визуализации газов, который выполнен так, чтобы он соответствовал диапазону длин волн, в котором большая часть фоновой инфракрасной энергии будет поглощаться конкретным газом, представляющим интерес.
Рисунок 3А. Инфракрасные характеристики поглощения пропана
Рисунок 3Б. Инфракрасные характеристики поглощения метана
Большинство углеводородов поглощают энергию вблизи 3,3 мкм, поэтому выборочный фильтр, показанный на рис. 3 может использоваться для обнаружения широкого спектра газов. Коэффициенты отклика (RF) для более чем 400 дополнительных соединений доступны на следующем сайте: http://rfcalc.providencephotonics.com.
Этилен имеет две полосы сильного поглощения, однако длинноволновой датчик будет обнаруживать этот газ с большей чувствительностью, чем средневолновой датчик, основанный на кривой пропускания, показанной ниже.
Рисунок 4. Инфракрасные характеристики поглощения этилена
Выбор фильтра, который ограничивает работу камеры только в диапазоне длин волн, где газ имеет очень высокий пик поглощения (или минимум пропускания), повысит видимость газа. Газ будет эффективно «блокировать» большую часть излучения, поступающего от объектов за шлейфом на заднем фоне.
Почему некоторые газы поглощают инфракрасное излучение?
С механической точки зрения молекулы в газе можно сравнить с грузами (шарами, показанными на рис. 5 ниже), соединенными между собой пружинами. В зависимости от количества атомов, их размера и массы, а также постоянной упругости пружин молекулы могут двигаться в заданных направлениях, вибрировать вдоль оси, вращаться, скручиваться, растягиваться, качаться, колебаться и т. д.
Простейшие молекулы газа – это одиночные атомы, такие как гелий (He), неон (Ne) или криптон (Kr). У них нет возможности вибрировать или вращаться, поэтому они могут только двигаться одновременно в одном направлении.
Рисунок 5. Один атом
Следующая наиболее сложная категория молекул – это гомоядерные молекулы, состоящие из двух атомов, таких как водород (H2), азот (N2) и кислород (O2). Они могут переворачиваться вокруг своих осей в дополнение к поступательному движению.
Рисунок 6. Два атома
Кроме того, существуют сложные двухатомные молекулы, такие как углекислый газ (CO2), метан (CH4), шестифтористая сера (SF6) или стирол (C6H5CH=CH2) (это лишь несколько примеров).
Рисунок 7. Углекислый газ: 3 атома в одной молекуле
Рисунок 8. Метан: 5 атомов в одной молекуле
Это предположение также справедливо и для многоатомных молекул.
Рисунок 9. Шестифтористая сера: 6-7 атомов в одной молекуле
Рисунок 10. Стирол: 16 атомов в одной молекуле
Повышенные степени механической свободы позволяют им совершать многократные вращательные и колебательные переходы. Поскольку они состоят из нескольких атомов, они могут поглощать и излучать тепло с большей эффективностью, чем простые молекулы. В зависимости от частоты переходов некоторые из них попадают в энергетические диапазоны, расположенные в инфракрасной области, к которой чувствительна инфракрасная камера.
