- 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，也是世界上主要的燃料来源。如果能准确地检测、定位和测量甲烷泄漏，对环境和经济都具有十分重要的意义。不幸的是，传统的方法非常缓慢，需要大量的人力。它们不仅占地面积小，而且随着时间的推移，增加了运营成本。

　　最近，美国国家标准与技术研究所（NIST）、科罗拉多大学博尔德分校（Cu博尔德）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究人员成功地展示了一个新的解决方案：NIST以创新的方式改变了一项诺贝尔奖获得者的技术，从而使甲烷在大范围内以极高的精度（CH4）和其它微量气体泄漏得到连续有效的监测。

　　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较普遍的温室气体二氧化碳（CO2）短得多，但它比二氧化碳强得多。根据国家环境保护局（EPA），甲烷可以以相等的转化率捕获更多的太阳热量，这是一百年来二氧化碳的25倍。考虑到这一差异，美国国家环境保护局估计，由于人类活动而泄漏或故意排放的甲烷，对美国温室气体排放造成的所有变暖影响，包括天然气勘探、储存和运输，贡献率约为10%，煤炭开采、化工生产加工、废弃物处理、畜牧业等。

　　除了环境效益外，更可靠的甲烷监测还能减少重大损失和破坏性事件的发生，避免区域人群疏散等重大问题。如果能及时在居民区或商业区的管道中发现泄漏，可以提前预防事故的发生；更重要的是，如果能有助于避免瓦斯爆炸，还可以挽救生命和财产。

　　此外，还有防止甲烷泄漏的经济激励措施。根据NRDC的数据，捕获和出售目前废弃的甲烷每年可以产生超过20亿美元的额外收入。

　　目前的甲烷检测方法主要依靠红外（IR）摄像检测仪在大型场所（如有数百个潜在泄漏点的井场）逐个发现瓦斯羽流。这项工作不仅费时费力，而且要求操作人员具备一定的熟练程度，而且可能一年或几年才进行一次，因为在大范围、地域偏颇或其他难以调查的领域实施此类监测的成本太高。机载和机载红外摄像机或光谱仪也是一种方法，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状激光光谱仪系统吸引了一些行业合作伙伴，他们正在与NIST、Cu boulder和NOAA合作伙伴进行测试，以评估该系统在实际运行的油气设施中的性能。

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