Detekcja gazów metodami optycznymi

Optyczne metody detekcji gazów wykorzystują zjawiska polegające na interakcji badanej substancji ze światłem. Dla każdej substancji te oddziaływania przebiegają w nieco inny sposób, dzięki czemu można precyzyjnie określić jej rodzaj. Jednocześnie metody te są uniwersalne: ich działanie jest analogiczne dla wszystkich materiałów, różnica polega jedynie na długości fali światła.
Jedną z podstawowych zalet metod optycznych jest ich dokładność. Niektóre z nich mogą wykrywać gazy o stężeniu rzędu ppm (cząsteczek na milion), ale są i takie, których ta wartość dochodzi nawet do ułamków ppb (cząsteczek na miliard). Nadają się więc idealnie do wykrywania śladowych ilości gazów i par.

Metody zdalne i miejscowe

Często podkreśla się, że metody optyczne są szczególnie dobre do detekcji zdalnej. Światło wysłane w jednym miejscu zostaje odebrane w innym, co znacznie poszerza zasięg detekcji urządzenia. Oprócz systemów detekcji zdalnej stosowane są też optyczne systemy detekcji miejscowej. W takich systemach czujniki umieszczone są w obszarze występowania gazu, co ogranicza przestrzennie możliwości ich zastosowania, pozwala natomiast na zwiększenie czułości takich układów.

Metody aktywne i pasywne

W systemach detekcji optycznej można zastosować zewnętrzne źródło światła. Mamy wtedy do czynienia z metodami aktywnymi. Oprócz nich istnieją też metody pasywne, gdzie jedynie bada się światło emitowane przez próbkę. Metody pasywne są szczególnie przydatne przy dyskretnym pomiarze.

Obecnie najszerzej rozpowszechnione są aktywne systemy detekcji zdalnej, czyli lidary. Lidary najprościej można opisać jako radary używające światła. Istnieje ich wiele typów, w zależności od rodzaju wykorzystywanego zjawiska optycznego. Najważniejsze z tych zjawisk, stosowane zarówno w lidarach, jak i innych systemach detekcji optycznej, to: absorpcja, rozpraszanie i fluorescencja.

Metody absorpcyjne

Absorpcja światła to inaczej jego pochłanianie. Dana substancja absorbuje cząstki światła (fotony) tylko o określonych wartościach energii. Dokładnie takich, aby elektrony wewnątrz materiału, pochłaniając tę energię, przeskoczyły na wyższy poziom energetyczny. Te wartości są ściśle powiązane z długością fali światła i są charakterystyczne dla danej substancji. To taki odcisk palca, po którym można ją rozpoznać.

Przykładową metodą absorpcyjną jest cavity ring down spectroscopy (CRDS), w której badany gaz umieszcza się pomiędzy zwierciadłami i wpuszcza się tam impuls światła. Następnie bada się, jaka ilość światła opuszcza układ po każdym odbiciu od zwierciadeł. Im większa koncentracja substancji, tym szybciej impuls zanika. Ponieważ światło pokonuje drogę pomiędzy zwierciadłami wielokrotnie, to ta metoda jest dobra do wykrywania gazów o małym stężeniu, występujących na niewielkich obszarach.

Absorpcja jest wykorzystywana również w najpopularniejszym rodzaju lidaru – lidarze absorpcji różnicowej. W tym przypadku w badany obszar wysyła się dwie wiązki laserowe. Jedna ma długość fali absorbowaną przez szukany gaz, druga minimalnie inną. Różnica między natężeniami obu wiązek po ich przejściu przez dany obszar pokazuje, jaka jest koncentracja badanego gazu.

Opisane tu metody absorpcyjne wymagają wcześniejszego założenia, jakiego gazu szukamy. W większości lidarów absorpcyjnych możliwe jest wykrywanie jednego rodzaju gazu jednocześnie, chyba że zostanie zastosowanych kilka laserów o różnych długościach fali lub laser przestrajalny. Oba te rozwiązania znacząco zwiększają koszt użytkowania systemu. Lidary absorpcyjne to przyrządy służące do badania stężeń zadanych substancji (w tej konkurencji wygrywają czułością), nie do kompleksowej oceny składu powietrza.

Metody rozproszeniowe

Innym wykorzystywanym zjawiskiem jest rozproszenie. W przypadku najprostszym – lidaru rozproszeniowego – bada się, jak rozprasza się światło laserowe w chmurach lub dymach. Ta metoda wykrywa stężenie zanieczyszczeń, ale najsłabiej nadaje się do oceny składu chemicznego badanej substancji.

Bardziej subtelny jest lidar ramanowski, który wykorzystuje zjawisko rozproszenia ramanowskiego. Polega ono na tym, że substancja, na której rozprasza się światło, zostaje wzbudzona i w wyniku wymiany energii nieco zmienia się długość fali przechodzącego przez nią światła. Podobnie jak przy absorpcji ta różnica też jest charakterystyczna dla danej substancji. Lidary ramanowskie są najczęściej wykorzystywane do badania pomiaru zawartości pary wodnej lub ozonu w różnych partiach atmosfery.

Metody fluorescencyjne

Podobnie dzieje się w przypadku metod fluorescencyjnych. Substancja jest wzbudzana przez światło o odpowiedniej długości fali, a następnie emituje światło o innej długości fali, które jest wykrywane. Ponieważ związki organiczne wykazują szczególnie silną fluorescencję, to lidary fluorescencyjne są wykorzystywane głównie do ich detekcji. Przykładowe zastosowania to wykrywanie zagrożeń bakteryjnych, oparów ropy oraz oparów materiałów wybuchowych.

Poszczególne metody optycznej detekcji różnią się zasadą działania i zakresem zastosowań, ale jest kilka cech, które są dla nich wspólne. Przede wszystkim są to metody o dużej dokładności i pozwalające wykrywać niewielkie stężenia substancji. Większość z nich jest selektywna względem rodzaju badanych gazów. Oprócz tego nie wymagają przygotowania preparatów i w dużej mierze mogą być zastosowane zdalnie, bez fizycznej obecności wewnątrz badanego obszaru. Warto zatem zastanowić się nad zastosowaniem jednej z metod optycznych, szczególnie jeżeli pomiary mają być przeprowadzone na trudno dostępnym terenie, szukany gaz występuje w śladowych ilościach lub ważne jest, aby selektywnie wykrywać tylko określoną substancję.