光譜學(xué)是一種強(qiáng)大的工具，有著廣泛的應(yīng)用，它可以通過(guò)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)空氣污染來(lái)保護(hù)環(huán)境。

文/Samara Gomes，Cory Boone

圖1：國(guó)際航運(yùn)是溫室氣體排放和空氣污染物的主要來(lái)源，會(huì)導(dǎo)致氣溫上升、氣候變化甚至?xí)�讓人們過(guò)早地患上心肺和癌癥等致命疾病。

丹麥跨國(guó)公司Danfoss IXA基于紫外線（UV）吸收光譜，開(kāi)發(fā)了海洋中的排放物分析儀，用于監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)和腐蝕性的惡劣環(huán)境中，這對(duì)光譜系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛的環(huán)境要求。

為什么要監(jiān)測(cè)貨船的排放？

國(guó)際航運(yùn)船舶的海上排放，會(huì)導(dǎo)致世界各地的人們過(guò)早死于肺部損傷和心血管疾�。ㄒ�(jiàn)圖1）。全球每年因航運(yùn)排放而導(dǎo)致的心肺和肺癌死亡人數(shù)，估計(jì)高達(dá)60000萬(wàn)人。[1]如圖2所示，這個(gè)死亡人數(shù)高于自然災(zāi)害和高溫/低溫暴露造成的估計(jì)年死亡人數(shù)之和。海上船舶排放不僅是一個(gè)影響人類健康的嚴(yán)重問(wèn)題，而且它也會(huì)破壞海洋和陸地的生態(tài)系統(tǒng)。

國(guó)際海事組織（IMO）和美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）在許多國(guó)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(guò)這些法規(guī)，船舶就不能進(jìn)入很多主要的港口。

例如，如果沒(méi)有像Danfoss IXA開(kāi)發(fā)的分析儀，當(dāng)局就沒(méi)有其他方便、可靠的方法來(lái)監(jiān)測(cè)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�；�于光譜的海洋排放分析儀，是一款能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)船舶排放物的強(qiáng)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(dú)特的吸收光譜，能夠根據(jù)其原子和分子組成來(lái)吸收不同波長(zhǎng)的光。Danfoss IXA的紫外光譜系統(tǒng)，由高強(qiáng)度紫外光源、紫外光譜儀和紫外增強(qiáng)光學(xué)組件（如光纖、透鏡和平面鏡）組成（見(jiàn)圖3）。為了了解不同波長(zhǎng)是如何被吸收、并以此來(lái)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(cè)器陣列上，該陣列能同時(shí)測(cè)量整個(gè)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(lái)源：Danfoss IXA）

雖然Danfoss IXA的系統(tǒng)不使用單色儀進(jìn)行波長(zhǎng)隔離，但許多光譜系統(tǒng)都使用單色儀進(jìn)行波長(zhǎng)隔離。在這些情況下，來(lái)自紫外光源的光進(jìn)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(zhǎng)（見(jiàn)圖4）。

圖4：光譜儀的測(cè)試波長(zhǎng)，可以通過(guò)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(lái)微調(diào)。（圖片來(lái)源：Edmund Optics）

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

對(duì)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(lái)測(cè)量。較高的凹槽頻率能提高光學(xué)分辨率，但會(huì)導(dǎo)致較窄的可用波長(zhǎng)范圍；相反，較低的凹槽頻率會(huì)有更寬的可用波長(zhǎng)范圍，但會(huì)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(kāi)發(fā)非常具有挑戰(zhàn)性。高溫會(huì)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(huì)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(huì)暴露在高達(dá)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(méi)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(xiàng)目面臨的另一個(gè)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(shí)間的推移，這兩種效應(yīng)都會(huì)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(jī)物和其他污染物相互作用時(shí)，有害的材料可能會(huì)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(huì)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(shù)枝狀生長(zhǎng)的一個(gè)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(shuō)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(huì)導(dǎo)致污染物的沉積，因此任何進(jìn)入系統(tǒng)的廢氣都是污染源。小于400nm的紫外波長(zhǎng)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(huì)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(guò)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(shí)間的推移而退化。隨著時(shí)間的推移，大量使用會(huì)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(qiáng)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(shí)間的推移進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)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(cè)全球數(shù)千艘船舶的排放情況。

這對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)偉大的勝利——朝著最大限度地減少國(guó)際航運(yùn)中的NOx、SO2和NH3排放邁進(jìn)了一步。這種污染的任何減少，都有助于減少每年因航運(yùn)排放而導(dǎo)致的心肺疾病所帶來(lái)的死亡人數(shù)。

設(shè)計(jì)在苛刻環(huán)境中運(yùn)行的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，請(qǐng)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(xiàng)，清楚地解釋可能需要進(jìn)行的任何權(quán)衡，并確保您的系統(tǒng)按需運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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.