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2021-07-05 14:38 |
NIST研究人員升級(jí)激光頻率梳儀器以同時(shí)測(cè)量主要溫室氣體
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員已經(jīng)升級(jí)了他們的激光頻率梳儀器以同時(shí)測(cè)量三種空氣中的溫室氣體--氧化亞氮、二氧化碳和水蒸氣--及主要的空氣污染物--臭氧和一氧化碳。結(jié)合早期版本的甲烷測(cè)量系統(tǒng)，NIST的雙梳技術(shù)現(xiàn)在可以感知所有四種主要的溫室氣體，這有助于理解和監(jiān)測(cè)這些跟氣候變化有關(guān)的吸熱氣體的排放。 Sw; kUJ
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最新的梳狀系統(tǒng)還可以幫助評(píng)估城市空氣質(zhì)量。 /U!B2%vq_
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由于特制的光束會(huì)在空氣中追蹤一條路徑，所以NIST的儀器可以通過(guò)精確測(cè)量寬激光光譜中每一種顏色所吸收的光量來(lái)識(shí)別氣體特征。目前的應(yīng)用包括檢測(cè)石油和天然氣裝置的泄漏，及測(cè)量牲畜的排放。跟傳統(tǒng)的傳感器相比，梳狀系統(tǒng)可以測(cè)量更多的氣體，而傳統(tǒng)傳感器只能在特定位置取樣。跟使用其他光源的類似技術(shù)相比，這種系統(tǒng)還能提供更高的精度和支持更長(zhǎng)的距離。 _[(EsIqc(F
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NIST在新論文中描述的最新進(jìn)展將分析的光譜從近紅外轉(zhuǎn)移到中紅外，這樣能使得識(shí)別出更多不同氣體成為可能。據(jù)悉，較老的近紅外梳狀系統(tǒng)可以識(shí)別二氧化碳和甲烷，但不能識(shí)別一氧化二氮、臭氧或一氧化碳。 M=95E $6
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研究人員在長(zhǎng)度為600米和2公里的往返路徑上演示了新系統(tǒng)。來(lái)自兩個(gè)頻率梳的光在光纖中結(jié)合并從位于科羅拉多州博爾德的NIST建筑頂部的望遠(yuǎn)鏡傳輸。其中一束被發(fā)送到另一棟建筑陽(yáng)臺(tái)上的反射器上，另一束則被發(fā)送到山上的反射器上。梳狀光被反射器反射，然后返回到原來(lái)的位置進(jìn)行分析以確定空氣中的氣體。 Ja 5od
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頻率梳是一種非常精確的“標(biāo)尺”，它可以精確地測(cè)量光的顏色。每個(gè)梳子的“齒”都對(duì)應(yīng)著不同的顏色。為了達(dá)到光譜的中紅外部分，關(guān)鍵成分是一種經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的晶體材料，其被稱為周期極化鈮酸鋰，它能在兩種顏色之間轉(zhuǎn)換光。本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)將一個(gè)梳子中的近紅外光分成兩個(gè)分支、利用特殊的光纖和放大器對(duì)每個(gè)分支的頻譜進(jìn)行不同的擴(kuò)寬和平移、提高功率，然后在晶體中重新組合這些分支。這就產(chǎn)生了較低頻率（較長(zhǎng)波長(zhǎng)）的中紅外光，這就是兩個(gè)分支原始顏色之間的差異。 ?f3R+4
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這套系統(tǒng)足夠精確，其可以捕獲所有被測(cè)氣體的大氣水平變化，并且還能跟傳統(tǒng)的一氧化碳和一氧化二氮點(diǎn)傳感器的結(jié)果一致。同時(shí)檢測(cè)多種氣體的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量它們之間的相關(guān)性。此外，過(guò)量一氧化碳跟二氧化碳的比例與類似的城市研究結(jié)果一致，但僅為美國(guó)國(guó)家排放清單(NEI)預(yù)測(cè)水平的1/3左右。這些水平提供了一種衡量燃料在汽車等排放源中燃燒效率的方法。 5bXpj86mY
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NIST的測(cè)量結(jié)果跟其他研究結(jié)果相呼應(yīng)，這表明空氣中的一氧化碳含量比NEI預(yù)測(cè)的要少。NIST的測(cè)量結(jié)果將第一個(gè)硬性數(shù)字放在了博爾德-丹佛地區(qū)污染物的參考水平或“清單”上。 :eD-'#@$u
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這項(xiàng)研究的論文首席作者Kevin Cossel表示：“跟NEI的比較表明，創(chuàng)建庫(kù)存是多么困難，尤其是涉及大面積的庫(kù)存并且有數(shù)據(jù)反饋庫(kù)存是至關(guān)重要的。這不會(huì)對(duì)大多數(shù)人的日常生活產(chǎn)生直接影響，庫(kù)存只是試圖復(fù)制實(shí)際情況。然而為了理解和預(yù)測(cè)空氣質(zhì)量和污染的影響，建模者確實(shí)依賴于清單，所以清單的正確性是至關(guān)重要的�！� >Z 3>
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研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)這種新型梳狀儀器。他們計(jì)劃將覆蓋范圍擴(kuò)大到更長(zhǎng)的距離。他們還計(jì)劃通過(guò)增加光功率和其他調(diào)整來(lái)提高探測(cè)靈敏度從而使探測(cè)到更多的氣體成為可能。最后，他們正在努力使系統(tǒng)更加緊湊和健壯。這些進(jìn)展可能有助于提高對(duì)空氣質(zhì)量的理解，特別是影響臭氧形成的因素之間的相互作用。
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