- 2019-08-30 -

上图显示了如何使用移动双频梳状激光光谱仪在现场检测痕量气体。光谱仪位于一个圆形区域的中心，周围一圈环绕着后向反射镜。来自光谱仪的激光(黄线)穿过气体云，撞击后向反射器并直接返回其原点。收集的数据用于鉴别泄漏的痕量气体(包括甲烷)、泄漏位置及其排放速度。Credit: Stephanie Sizemore and Ian Coddington/NIST

　　甲烷是天然气的主要成分，也是全球的一个主要燃料源，若能对甲烷泄露进行准确的探测、定位和测量，这不论对于环境还是经济都至关重要。遗憾的是，传统方法都很慢，且需要耗费大量人力，不但覆盖的区域小，随时间增长的操作成本也很昂贵。

　　最近，美国国家标准与技术研究院(NIST)、科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)和美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的研究人员成功地展示了一种新颖的解决方案：NIST以一种创新的方式对一项诺贝尔奖获奖技术进行了改造，使其能以极高的精度在较大的面积范围内对甲烷(CH4)和其他痕量气体泄漏进行持续且高效的监测。

　　这项技术验证已于2018年发表在《光学》(Optica)期刊上。

　　虽然甲烷在大气中的寿命比更盛行的温室气体二氧化碳(CO2)要短得多，但它的威力却比二氧化碳强大得多。根据美国国家环境保护局(EPA)的资料显示，按照均等的换算方式来看，甲烷可以捕获更多的太阳热量，以一百年的时间长度来看，会比二氧化碳高出25倍。考虑到这一差异，美国国家环境保护局预计，因人类活动而泄漏或有意排放的甲烷，对美国所有因温室气体排放而造成的变暖影响贡献了大约10%的作用，这些人类活动包括天然气的勘探、储存和输送，煤矿开采，化学制造和加工，废物处理，以及畜牧业，等等。

　　除环境效益外，更加可靠的甲烷监测还可以减少造成重大损失的、破坏性事件的发生，避免由此带来的如区域性人群疏散等重大问题。若能在住宅区或商业区的管道中及时发现泄露问题，就能防患于未然;更重要的是，若能帮助避免气体爆炸事件，也等于是挽救了生命和财产。

　　此外，对于甲烷泄漏的防止，还有经济因素的激励。根据美国国家资源保护委员会的说法，若能捕获并出售当前浪费的这些甲烷，每年或可带来超过20亿美元的额外收入。

　　目前的甲烷检测方法在很大程度上依赖于使用红外(IR)相机的检测员在大型场地(例如有数百个潜在泄漏点的井场)中费力地逐个查找气体羽流。这项工作不但耗时，也对操作员的熟练程度有一定要求，并且可能一年或几年才能进行一次这样的检测，因为对范围广、地域偏或其他难以调查的区域实施这种监测的成本太高。机载和车载红外摄像机或光谱仪也是一种办法，但这种方法也很昂贵，可能不适合连续监测。

上图显示了针对痕量气体的双梳光谱是如何工作的。激光(红线)穿过气体云，撞击后向反射镜并返回到双频梳状光谱仪(彩色箭头)进行分析。Credit: Sean Coburn/University of Colorado Boulder

　　据NIST物理学家兼Optica论文的共同作者Ian Coddington介绍，在实际应用中，目前这种甲烷检测和测量系统的潜在用户经常会发现，过高的成本使其三个需求无法得到满足：大面积覆盖，频繁监测和高灵敏度需求。“上述最后一个需求真的很重要，因为泄漏的速度很小，可能只有每小时0.2立方米，大约是普通人呼吸率的四分之一，”他说。

　　为了解决这些问题，NIST及其合作伙伴开发了一种新型观测系统，该系统结合了世界上第一台“现场”双频梳状激光光谱仪和一组角隅棱镜后向反射器。光谱仪基于的是频率梳技术，NIST的约翰·哈尔(John Hall)因此还共同获得了2005年诺贝尔物理学奖。这里用到的后向反射器是一种特殊的镜子，可以将光线直接射回它们的光源，这种光学现象早在20世纪60年代就被NIST的詹姆斯·法勒(James Faller)利用过，当时他根据此项技术设计了一种激光反射阵列，在两次阿波罗登陆期间都进行了部署，以测量地月距离。

　　光频梳是一种精密工具，用于测量不同颜色或频率的光。科学家用激光器发出一系列连续的、非常短的飞秒(即一千万亿分之一秒)光脉冲，包含数百万种不同的颜色，即频谱。频谱中均匀间隔的一根根线条看起来就像梳齿，这个工具也因此而命名。这些激光脉冲及其数百万个高度定义的梳齿，可以像标尺上的标记一样用于测量任何材料的光谱特征，它们会以令人难以置信的精度穿过这些材料。

　　NIST在此基础之上又增加了第二个频率梳，开发出双梳激光光谱仪，并进一步发展出这套新的痕量气体监测系统。“成对的频率梳就好比成千上万的激光光谱仪同时工作，这种装置比传统光谱仪好10到100倍，对泄漏非常敏感，哪怕距离很遥远，”Coddington说，“就好比你站在华盛顿特区的林肯纪念堂旁，在国家广场另一端的华盛顿纪念碑附近有几百个人，而你可以从中识别某一个人的呼气。”

　　发表于Optica的论文对验证过程进行了介绍：研究人员在科罗拉多的一个井场四周，沿着1千米直径的圆周等间隔布置了一圈后向反射器，这个井场包含了多处甲烷泄漏源。在圆圈的中心，他们将便携式双梳装置放在拖车内。

　　为了检测和测量圆圈内某片扇形区域(由两个相邻后向反射器之间的圆弧限定的区域)内的甲烷泄漏，首先要让双梳激光器的脉冲从其中一个反射器反射回光谱仪，从而测量来自场外的残余气体。根据第二个反射器可以得到一个测量值，用它减去第一步的测量值，就可以得到这个扇形区域内释放的甲烷水平。在不同的风力条件(方向和速度)下对扇区进行重复扫描，将这些数据输入NIST计算机模型，就可以确定泄漏位置和速率。

　　NIST机械工程师Kuldeep Prasad帮助设计了这个计算机模型，据他介绍，在获得了这个后向反射器圆环上所有弧线段的测量值后，再结合当地的气象数据，就可以得到整个井场中甲烷逸出的完整计算。“通过这种方式可以进行连续不断的监测，并准确地检测和测量现场的每一处泄漏，”他说，“此外，你还可以在几处毗邻的井场内设置移动光谱仪，这样就可以将总覆盖面积大幅扩张到方圆数千米。”

　　Prasad表示，对于天然气储存设施、石油和天然气加工厂，以及其他无法进行现场泄漏监测的工业环境，光谱仪可以放置在现场的高处，以便在甲烷上升时进行检测和测量。

　　这款由NIST和CU Boulder联合开发的移动双梳激光光谱仪，以及相关的建模工作，得到了NIST温室气体测量计划(NIST Greenhouse Gas Measurements Program)、美国能源高级研究计划局(ARPA-E)、能源部化石能源办公室和国防高级研究计划局(DARPA)资助。这项创新技术不仅可以在大面积区域内实现全天候、高度可靠的、现场甲烷泄漏检测和测量，而且整个操作比现有的红外线方法更具成本效益。

　　“除了完善移动双梳激光光谱仪的监控功能外，我们的团队接下来还会尝试将运营成本降低到每年每井约300美元的标价，”Prasad说，“这一目标的实现将使大多数用户都能够负担得起该系统。”

　　Coddington说，用于检测和测量甲烷泄漏的便携式双梳激光光谱仪系统已经吸引了几个工业合作伙伴，他们正在与NIST、CU Boulder和NOAA合作者一起进行测试，以评估该系统在实际运营的石油和天然气设施中的性能。

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