光譜學(xué)是一種強大的工具，有著廣泛的應(yīng)用，它可以通過監(jiān)測和調(diào)節(jié)空氣污染來保護環(huán)境。

文/Samara Gomes，Cory Boone

圖1：國際航運是溫室氣體排放和空氣污染物的主要來源，會導(dǎo)致氣溫上升、氣候變化甚至?xí)�讓人們過早地患上心肺和癌癥等致命疾病。

丹麥跨國公司Danfoss IXA基于紫外線（UV）吸收光譜，開發(fā)了海洋中的排放物分析儀，用于監(jiān)測貨船排放出的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和氨氣（NH3）。光學(xué)監(jiān)測設(shè)備位于船舶排氣系統(tǒng)內(nèi)部，暴露在具有極端溫度、振動和腐蝕性的惡劣環(huán)境中，這對光譜系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛的環(huán)境要求。

為什么要監(jiān)測貨船的排放？

國際航運船舶的海上排放，會導(dǎo)致世界各地的人們過早死于肺部損傷和心血管疾�。ㄒ妶D1）。全球每年因航運排放而導(dǎo)致的心肺和肺癌死亡人數(shù)，估計高達60000萬人。[1]如圖2所示，這個死亡人數(shù)高于自然災(zāi)害和高溫/低溫暴露造成的估計年死亡人數(shù)之和。海上船舶排放不僅是一個影響人類健康的嚴(yán)重問題，而且它也會破壞海洋和陸地的生態(tài)系統(tǒng)。

國際海事組織（IMO）和美國環(huán)境保護局（EPA）在許多國家的海洋中建立了排放控制區(qū)（ECA），并制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)——如果不通過這些法規(guī)，船舶就不能進入很多主要的港口。

例如，如果沒有像Danfoss IXA開發(fā)的分析儀，當(dāng)局就沒有其他方便、可靠的方法來監(jiān)測船舶排放并執(zhí)行這些法規(guī)。盡管存在許多旨在限制船舶排放的地方和區(qū)域舉措，但執(zhí)行這些政策卻非常困難。基于光譜的海洋排放分析儀，是一款能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地監(jiān)測船舶排放物的強大工具。

紫外光譜系統(tǒng)

光譜學(xué)的基本原理是，物質(zhì)具有獨特的吸收光譜，能夠根據(jù)其原子和分子組成來吸收不同波長的光。Danfoss IXA的紫外光譜系統(tǒng)，由高強度紫外光源、紫外光譜儀和紫外增強光學(xué)組件（如光纖、透鏡和平面鏡）組成（見圖3）。為了了解不同波長是如何被吸收、并以此來確定廢氣的成分的，光譜儀在空間上將光源的寬頻發(fā)射分離到1D探測器陣列上，該陣列能同時測量整個紫外光譜。

圖3：Danfoss IXA的氣體分析儀直接插入到船舶的排放管道中。（圖片來源：Danfoss IXA）

雖然Danfoss IXA的系統(tǒng)不使用單色儀進行波長隔離，但許多光譜系統(tǒng)都使用單色儀進行波長隔離。在這些情況下，來自紫外光源的光進入單色儀的入口狹縫，在那里，色散元件（如衍射光柵或棱鏡）將光分解成其所包含的成分波長（見圖4）。

圖4：光譜儀的測試波長，可以通過將寬頻發(fā)射分離到1D傳感器陣列上，或改變單色儀內(nèi)部衍射光柵或棱鏡的角度來微調(diào)。（圖片來源：Edmund Optics）

單色儀的出射狹縫阻擋了所有波長，只有穿過廢氣樣本的一條窄帶光通過狹縫。改變衍射光柵或棱鏡的角度，會改變通過出射狹縫的波長，從而可以對測試波段進行微調(diào)。穿過廢氣樣本的光然后被引導(dǎo)到探測器上，以確定發(fā)生的吸收；然后根據(jù)吸收結(jié)果來計算廢氣的分子組成。

對于使用衍射光柵的單色儀，光柵的凹槽頻率通常以每毫米凹槽的數(shù)量來測量。較高的凹槽頻率能提高光學(xué)分辨率，但會導(dǎo)致較窄的可用波長范圍；相反，較低的凹槽頻率會有更寬的可用波長范圍，但會犧牲光學(xué)分辨率。

環(huán)境要求

由于極高的溫度和壓力要求，這種系統(tǒng)的開發(fā)非常具有挑戰(zhàn)性。高溫會導(dǎo)致光學(xué)器件因熔化和熱應(yīng)力而失效，這嚴(yán)重限制了可使用的光學(xué)材料的類型。高溫也會導(dǎo)致光學(xué)組件中的粘合劑放氣并污染系統(tǒng)。該系統(tǒng)會暴露在高達500°C的高溫下，因此其高壓要求使得光學(xué)系統(tǒng)的密封至關(guān)重要。光學(xué)器件需要在幾乎沒有吸收的情況下傳輸紫外光，這也限制了可用的光學(xué)材料。

光學(xué)器件的紫外退化

該項目面臨的另一個挑戰(zhàn)是，紫外光學(xué)器件的壽命往往有限，這主要是由于高功率紫外光子與環(huán)境相互作用以及紫外光破壞光學(xué)器件的涂層和基底所產(chǎn)生的污染。隨著時間的推移，這兩種效應(yīng)都會降低光學(xué)組件的性能。

當(dāng)高功率紫外光與系統(tǒng)中的顆粒、水蒸氣、有機物和其他污染物相互作用時，有害的材料可能會沉積在光學(xué)器件的表面。排氣和其他空氣中的污染物通常會導(dǎo)致光學(xué)表面上的碳沉積。圖5顯示了紫外光引發(fā)的污染樹枝狀生長的一個例子。

圖5：未涂覆的熔融二氧化硅窗口暴露在紫外光下引起污染的例子。這張圖像是在大約3W的紫外激光照射6周后拍攝的，這與Danfoss IXA的氣體分析儀的使用情況不同，但它可以說明可能發(fā)生的紫外污染類型。[3]

與光學(xué)器件周圍氣體的相互作用，也會導(dǎo)致污染物的沉積，因此任何進入系統(tǒng)的廢氣都是污染源。小于400nm的紫外波長的光子能量與周圍分子的鍵能接近相同，這允許紫外光破壞其中一些鍵。這會產(chǎn)生其他離子和分子，從而污染光學(xué)表面。

由于光學(xué)疲勞過程，紫外光學(xué)器件的涂層和基底材料本身在高功率紫外光照射下，也容易隨著時間的推移而退化。隨著時間的推移，大量使用會導(dǎo)致它們退化，并導(dǎo)致材料變色或其他變化。它們的折射率可以被修改，以產(chǎn)生可以增加局部強度的透鏡效應(yīng)。也可以形成自陷激子，這導(dǎo)致吸收中心的積累。

由于這些影響，紫外光學(xué)器件可能需要隨著時間的推移進行更換，但適當(dāng)?shù)拿芊�、清洗和清潔可以減輕這些影響。

Danfoss IXA氣體排放分析儀要適應(yīng)的苛刻環(huán)境，給該系統(tǒng)的光學(xué)和光學(xué)機械設(shè)計帶來了許多挑戰(zhàn)；但該設(shè)備被證明是成功的，目前正在幫助監(jiān)測全球數(shù)千艘船舶的排放情況。

這對環(huán)境來說是一項偉大的勝利——朝著最大限度地減少國際航運中的NOx、SO2和NH3排放邁進了一步。這種污染的任何減少，都有助于減少每年因航運排放而導(dǎo)致的心肺疾病所帶來的死亡人數(shù)。

設(shè)計在苛刻環(huán)境中運行的光學(xué)系統(tǒng)時，請與光學(xué)組件制造商討論具體的環(huán)境要求。光學(xué)組件制造商應(yīng)該能夠指導(dǎo)您完成關(guān)鍵考慮事項，清楚地解釋可能需要進行的任何權(quán)衡，并確保您的系統(tǒng)按需運行。

參考文獻

1. M. Dwortzan, “Smarter regulation of global shipping emissions could improve air quality and health outcomes,” MIT News (Aug. 17, 2021); https://tinyurl.com/yt4sxr2a.

2. H. Ritchie, F. Spooner, and M. Roser, “Causes of death,” Our World in Data (Dec. 2019); https://ourworldindata.org/causes-of-death.

3. B. Arnold, C. Rashvand, L. Willis, and M. Dabney, Proc. SPIE, 12300 (Dec. 2, 2022); doi:10.1117/12.2638404.