Spektroskopi sistemi, trafik işaretlerinden ve ağaç gövdelerinden yansıyan ışığı kullanarak aerosolleri tespit eder

Araştırmacılar, trafik işaretleri, ağaç gövdeleri veya boyalı yüzeyler gibi yaygın yüzeylerden yansıyan ışığı kullanarak kimyasal aerosolleri uzaktan hızla tespit edebilen bir kızılötesi spektroskopi sistemi geliştirdi ve test etti. Yeni yöntem, karmaşık araçlar olmadan tehlikelerin tespit edilmesini mümkün kılarak güvenliğin artırılmasına ve endüstriyel tesislerde, halka açık alanlarda ve diğer yüksek riskli yerlerdeki operasyonların kolaylaştırılmasına yardımcı olabilir.

Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırma ekibi lideri Tim Johnson, “Daha önce, birçok uzaktan kimyasal tespit sistemi, lazer sinyalini dedektöre geri yansıtmak için alana bir ayna veya başka bir yüksek derecede yansıtıcı hedef yerleştirmeye dayanıyordu; bu da gerçek dünyadaki pek çok durumda pratik değildi” dedi. “Yaklaşımımız, sıradan yüzeylerden gelen yansımaları kullanarak bu gereksinimi ortadan kaldırarak, hedef konuma özel ekipman kurmadan aerosol halindeki kimyasalları uzaktan tespit etmemize olanak tanıyor.”

Günlükte Uygulamalı OptikAraştırmacılar, farklı yüzeylerden yansıyan kızılötesi lazer ışığını kullanarak laboratuvar testlerinin sonuçlarını rapor ediyorlar. Birçok metalik olmayan yüzeyin, 11 metreye (36 feet) kadar mesafelerde aerosol ve buhar tespiti için kullanılabileceğini gösterdiler.

Johnson, “Aerosolleri veya buharları karmaşık ekipman olmadan onlarca metre uzaktan tespit etme yeteneği, işçileri ve askeri personeli korumaktan, kimyasal sızıntıları tespit etmeye ve tesis çevresini izlemeye kadar çok çeşitli ortamlarda güvenliği artırabilir” dedi. “Örneğin, büyük spor etkinliklerinde veya konserlerde, kazara veya kasıtlı bir kimyasal salınımının kalabalığa ulaşmadan önce tespit edilmesine yardımcı olmak için kullanılabilir.”

Pratik bir spektral sistem oluşturma

Tehlikeli kimyasallar çevreye salındığında genellikle aerosoller (küçük sıvı damlacıkları veya havada asılı katı parçacıklar) halinde bulunurlar. Aerosollerin kimyasal bileşimini tanımlamak için kızılötesi spektroskopi kullanılabilse de, bu analitik tekniğin laboratuvar dışında uygulanması zordur.

Kızılötesi spektroskopiyi sahada kullanmanın önündeki en büyük engellerden biri, ışığı cihaza geri yansıtarak algılamayı mümkün kılan aynalara güvenilmesidir. Bir aynayı konumlandırmaya erişim olsa bile, sabit optik hizalamayı sürdürmek zordur ve ayna yüzeyleri hızla çizilebilir veya kirlenebilir, bu da performansı düşürebilir.

Araştırmacılar, lazerin gündelik yüzeylere yönlendirilmesine olanak tanıyarak bu tür aynalara olan ihtiyacı ortadan kaldıran bir yöntem geliştirdiler. Azalan yansıtma, algılama sisteminde yansıyan ışığı tespit etmek için yüksek güçlü lazerler ve verideki gürültüyü filtreleyen yazılım kullanılarak kısmen telafi edilir. Bir diğer önemli yenilik, giden lazer ışınını farklı uzaklık mesafeleri için otomatik olarak ayarlayan, geri dönen ışığı verimli bir şekilde toplayan ve dedektöre ulaşan sinyal miktarını en üst düzeye çıkaran kızılötesi lazer teleskop sistemiydi.

Johnson, “Yeni bir ayna gibi %100 yansıtıcı olmasalar bile birçok yüzey önemli ölçüde yansıtıcılık sunuyor” dedi. “Yaklaşımımız, spektrometrenin lazer ışınının yolundaki bir aerosol kimyasal dumanını tespit etmesi için yeterli optik sinyal üretmek üzere bu yüzeyleri kullanmayı mümkün kılıyor.”

Çalışmanın bir parçası olarak araştırmacılar, dış cephe kaplaması, duvar kaplaması, trafik işaretleri, ağaç kabuğu ve araba panelleri gibi yaklaşık 50 yaygın malzemenin yansıtıcılığını karakterize etti. Belirli türdeki dış cephe kaplaması ve trafik işaretlerinin, test edilen diğer malzemelere göre daha yüksek yansıtma özelliği sunduğunu buldular.

Aerosol odası testi

Yeni yöntemi değerlendirmek için araştırmacılar, iyi tanımlanmış parçacık boyutlarına ve kimyasal karışımlar da dahil olmak üzere kimyasal bileşimlere sahip aerosoller üretebilecekleri bir aerosol odası inşa ettiler.

Daha önce tanımladıkları yansıtıcı yüzeylerin bir alt kümesiyle yeni yöntemlerini test etmek için odayı kullandılar. Tehlikeli kimyasalların yerine geçen dietil sebakat ve tebeşir ve mineral kireçtaşı gibi kayalarda bulunan kalsiyum karbonat da dahil olmak üzere birçok farklı aerosolü analiz ettiler. Her durumda sistem, kimyasal bileşim ve yüzey yansımasındaki farklılıklara rağmen aerosolleri başarıyla tespit etti ve tanımladı.

Daha sonra araştırmacılar, daha geniş parçacık boyutu dağılımlarına ve giderek karmaşıklaşan kimyasal karışımlara sahip aerosoller kullanan yöntemi değerlendirmeyi planlıyor. Bu daha gerçekçi senaryolar, daha karmaşık kızılötesi spektrumlar üreterek kimyasal tanımlamayı daha zorlu hale getirir. Ekip, yapay zeka ve makine öğreniminin bu karmaşık spektral imzaları analiz etmeye ve algılama performansını artırmaya yardımcı olabileceğini umuyor.