Die technischen Grundlagen der optischen Gasdetektion

Detektoren

Eine optische Gasdetektionskamera kann man sich am ehesten als eine hoch spezialisierte Variante einer Infrarot- oder Wärmebildkamera vorstellen. Sie verfügt über ein Objektiv, einen Detektor und diverse Elektronikbauteile, die das vom Detektor übermittelte Signal verarbeiten, sowie über einen Sucher oder ein Display, in bzw. auf dem der Benutzer das von der Kamera erzeugte Bild sehen kann. Die für OGI-Kameras genutzten Detektoren sind Quantendetektoren, die auf kryogene Temperaturen (von ca. -203 °C) heruntergekühlt werden müssen. Mittelwellen-Kameras, die Gase wie Methan entdecken, reagieren normalerweise im Bereich von 3 – 5 µm und sind mit einem Indium-Antimonid-(InSb)-Detektor ausgestattet. Langwellen-Kameras, die Gase wie Schwefelhexafluorid (SF6) entdecken, reagieren normalerweise im Bereich von 8 – 12 µm und sind mit einem Quantentopf-Infrarot-Fotodetektor (QWIP) ausgestattet.

Bei Zimmertemperatur weisen die Elektronen in den Materialien, die für Quantendetektoren verwendet werden, unterschiedliche Energiezustände auf. Dadurch verfügen einige Elektronen über genügend Wärmeenergie, um sich im Leitungsband zu befinden, d. h. die dort befindlichen Elektronen können sich frei bewegen, und das Material kann einen elektrischen Strom leiten. Die meisten Elektronen befinden sich jedoch im Valenzband, in dem sie keinen Strom leiten, da sie sich nicht frei bewegen können.

Wenn das Material auf eine hinreichend niedrige Temperatur heruntergekühlt wurde, die je nach ausgewähltem Material variiert, kann die Wärmeenergie der Elektronen so gering sein, dass keines davon das Leitungsband erreicht. In diesem Fall kann das Material keinen Strom leiten. Wenn diese Materialien einfallenden Photonen mit genügend Energie ausgesetzt werden, stimuliert diese Energie die Elektronen im Valenzband, die dadurch ins Leitungsband versetzt werden. Jetzt kann das Material (der Detektor) einen Fotostrom leiten, der proportional zur Intensität der einfallenden Strahlung ist.

Es gibt einen sehr genauen Energieschwellenwert, bei dem einfallende Photonen ein Elektron dazu anregen, aus dem Valenzband ins Leitungsband überzuspringen. Diese Energie hängt mit einer bestimmten Wellenlänge zusammen: der Grenzwellenlänge (auch „Cut-Off-Wellenlänge“ genannt). Da Photonenenergie umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge ist, ist die Energie im Kurz-/Mittelwellenband höher als im Langwellenband. Deshalb ist die Betriebstemperatur für Langwellendetektoren in der Regel niedriger als für Kurz-/Mittelwellendetektoren. Für einen InSb-Mittelwellendetektor muss die erforderliche Temperatur unter -100 °C liegen, obwohl er sich auch bei deutlich niedrigeren Temperaturen einsetzen lässt. Ein QWIP-Langwellendetektor benötigt hingegen in der Regel eine Betriebstemperatur, die mindestens bei -203 °C oder darunter liegt. Die Wellenlänge und die Energie der einfallenden Photonen muss gross genug sein, um die Bandlückenenergie ΔE zu überwinden.

Kühlverfahren

Bei den meisten OGI-Kameras wird zur Kühlung ein Stirling-Kühler verwendet. Der Stirling-Prozess entzieht dem Kühlfinger Wärme (Abbildung 1) und führt diese auf der warmen Seite ab. Obwohl die Effizienz dieses Kühlverfahrens relativ gering ist, reicht diese dennoch zum Kühlen eines IR-Kameradetektors aus.

Abbildung 1. Integrierter Stirling-Kühler – funktioniert mit Heliumgas und kann den Detektor auf -196 ºC oder manchmal sogar eine noch niedrigere Temperatur herunterkühlen

Bildnormalisierung

Ein weiterer komplexer Umstand ist die Tatsache, dass jeder Detektor im Focal Plane Array (FPA) jeweils eine leicht unterschiedliche Verstärkungs- und Nullpunktverschiebung aufweist. Um ein nützliches Wärmebild zu erzeugen, müssen die unterschiedlichen Verstärkungs- und Nullpunktwerte auf einen normalisierten Wert korrigiert werden. Dieser mehrstufige Kalibrierungsprozess wird von der Kamera-Software ausgeführt. Der letzte Schritt in diesem Prozess ist die Ungleichförmigkeitskorrektur (NUC – Non-Uniformity Correction). Bei Kameras mit Messfunktion wird diese Kalibrierung automatisch von der Kamera vorgenommen. Bei der OGI-Kamera ist die Kalibrierung ein manueller Prozess. Der Grund liegt darin, dass die Kamera nicht über einen internen Auslöser verfügt, der dem Detektor als einheitliche Temperaturquelle dienen könnte.

Das ultimative Ergebnis ist ein Wärmebild, das die relativen Temperaturen des gesamten Zielobjekts oder Zielbereichs präzise darstellt. Beim Emissionsgrad oder bei der Strahlung von anderen Objekten, die vom Zielobjekt zurück in die Kamera reflektierte werden (reflektierte Umgebungstemperatur) erfolgt keine Korrektur. Das Bild ist unabhängig von der Wärmestrahlungsquelle ein realitätsgetreues Abbild der Strahlungsintensität.

Spektrale Anpassung

Die OGI-Kamera nutzt ein einzigartiges Spektralfilterverfahren, mit dem sie eine Gasverbindung erkennen kann. Der Filter wird vor dem Detektor montiert und zusammen mit diesem gekühlt, um jeglichen Strahlungsaustausch zwischen dem Filter und dem Detektor zu verhindern. Dieser Filter schränkt die Strahlungswellenlängen, die den Filter passieren dürfen, auf ein äußerst begrenztes Band ein. Deshalb wird dieser Filter Bandfilter genannt, und dieses Verfahren spektrale Anpassung.

Abbildung 2. Interner Aufbau eines optischen Gasdetektionskameramoduls

Gasabsorbierende Infrarotspektren

Bei den meisten Gasverbindungen hängen die Absorptionseigenschaften von der Wellenlänge ab. In den Abbildungen 3A und 3B werden die Absorptionsspitzen für Propan und Methan durch einen gravierenden Abfall der Transmissionslinien auf den Grafiken veranschaulicht. Die gelben Bereiche stellen einen an einer OGI-Kamera verwendeten Beispiel-Spektralfilter dar, der dafür entwickelt wurde, um dem Wellenlängenbereich zu entsprechen, in dem die meiste Hintergrund-Infrarot-Energie vom jeweiligen Gas absorbiert wird.

Abbildung 3A. Infrarot-Absorptionseigenschaften für Propan

Abbildung 3B. Infrarot-Absorptionseigenschaften für Methan

Da die meisten Kohlenwasserstoffe Energie bei etwa 3,3 μm absorbieren, lässt sich der in Abbildung verwendete Beispielfilter zum Erkennen diverser Gase einsetzen. Die Reaktionsfaktoren (RF) für mehr als 400 zusätzliche Verbindungen finden Sie unter: http://rfcalc.providencephotonics.com.

Obwohl Ethylen zwei starke Absorptionsbänder besitzt, kann ein Langwellensensor dieses Gas mit höherer Empfindlichkeit als ein Mittelwellensensor erkennen, wie sich anhand der folgenden Transmissionskurve erkennen lässt.

Abbildung 4. Infrarot-Absorptionseigenschaften für Ethylen

Durch die Auswahl eines Filters, der die Kamera auf eine bestimmte Wellenlänge beschränkt, in der ein Gas eine besonders hohe Absorptionsspitze (oder ein besonders ausgeprägtes Transmissionstal) aufweist, vergrößert man die Sichtbarkeit des Gases. Dadurch „blockiert“ das Gas effektiv mehr Strahlung, die im Hintergrund von den Objekten hinter der Rauchfahne abgegeben wird.

Wieso absorbieren manche Gase Infrarotstrahlung?

Aus mechanischer Sicht lassen sich die Moleküle in einem Gas mit Gewichten (die Kugeln in der unten stehenden Abbildung 5) vergleichen, die mit Federn verbunden sind. Je nach Anzahl der Atome, deren entsprechenden Größe und Masse und der elastischen Konstante der Federn können sich die Kugeln in bestimmten Richtungen bewegen, entlang einer Achse schwingen, rotieren, drehen, verdrehen, ausdehnen, schwanken, wackeln usw.

Die einfachsten Gasmoleküle sind Einzelatome, zum Beispiel Helium (He), Neon (Ne) oder Krypton (Kr). Diese können weder schwingen noch rotieren, sondern sich jeweils nur „translatorisch“ in eine Richtung bewegen.

Abbildung 5. Einzelatom

Die nächste Komplexstufe bilden homonukleare Gasmoleküle wie Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2). Diese können sich nicht nur translatorisch bewegen, sondern auch um ihre eigene Achse „taumeln“.

Abbildung 6. Zwei Atome

Dann gibt es noch komplexe zweiatomige Moleküle wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Schwefelhexafluorid (SF6) oder Styrol (C6H5CH=CH2) – um nur einige Beispiele zu nennen.

Abbildung 7. Kohlendioxid – drei Atome pro Molekül

Abbildung 8. Methan – fünf Atome pro Molekül

Diese Annahme gilt auch für mehratomige Moleküle.

Abbildung 9. Schwefelhexafluorid – sechs bis sieben Atome pro Molekül

Abbildung 10. Styrol – 16 Atome pro Molekül

Aufgrund ihrer größeren mechanischen Freiräume können diese Moleküle durch mehrfache Rotations- oder Schwingungsbewegungen in einen anderen Zustand übergehen. Da sie aus mehreren Atomen bestehen, können sie Wärme effektiver absorbieren und abgeben als einfache Moleküle. Abhängig von der jeweiligen Übergangsfrequenz fallen einige davon in Energiebereiche, die sich in der Infrarotregion befinden, in der die Infrarotkamera empfindlich ist.

Tabelle 1. Frequenz- und Wellenlängenbereiche von molekularen Bewegungen

Damit ein Molekül ein Photon (mit Infrarot-Energie) durch den Übergang von einem Zustand zum nächsten absorbieren kann, muss es ein Dipolmoment aufweisen, in dem es in der Lage ist, für kurze Zeit mit derselben Frequenz wie das einfallende Photon zu schwingen. Durch diese quantenmechanische Interaktion kann die elektromagnetische Feldenergie des Photons auf das Molekül „übertragen“ bzw. von diesem absorbiert werden.

OGI-Kameras nutzen die Absorptionseigenschaften von bestimmten Molekülen aus, um diese in ihrer nativen Umgebung sichtbar zu machen. Die Focal-Plane-Arrays (FPAs) und optischen Systeme der Kamera sind speziell auf äußerst begrenzte Spektralbereiche abgestimmt, die lediglich einige Hundert Nanometer umfassen und daher äußerst selektiv sind. Dabei lassen sich nur Gase erkennen, die in der Infrarotregion absorptionsfähig und durch einen passenden Bandfilter begrenzt sind (Abbildungen 3 und 4).

Den Gasstrom sichtbar machen

Wenn die Kamera auf einen Zielbereich ohne Gasleck gerichtet wird, geben die Objekte, die sich in ihrem Sichtfeld befinden, Infrarotstrahlung ab und reflektieren diese durch das Objektiv und den Filter der Kamera. Da der Filter nur bestimmte Wellenlängen der Strahlung durch den Detektor passieren lässt, erzeugt die Kamera damit ein unkompensiertes Bild der Strahlungsintensität. Wenn zwischen den Objekten eine Gaswolke vorhanden ist und die Kamera und dieses Gas Strahlung im Bandbereich des Filters absorbieren, wird die Menge der Strahlung reduziert, die den Detektor durch die Wolke hindurch passiert (Abbildung 11).

Abbildung 11. Auswirkung einer Gaswolke

Um die Gaswolke vor dem jeweiligen Hintergrund erkennen zu können, muss ein Strahlungskontrast zwischen der Wolke und dem Hintergrund bestehen. Das heißt, dass die Strahlungsmenge, die die Wolke abgibt, eine andere Größe haben muss als die Strahlungsmenge, die die Wolke aufnimmt (Abbildung 12). Wenn der blaue Pfeil in Abbildung 12 dieselbe Größe hat wie der rote Pfeil, ist die Wolke unsichtbar.

Abbildung 12. Strahlungskontrast der Wolke

In Wirklichkeit ist die Strahlungsmenge, die von den Molekülen in der Wolke reflektiert wird, sehr klein und kann vernachlässigt werden. Die entscheidende Voraussetzung, um diese Wolke sichtbar zu machen, ist eine Differenz bei der reflektierten Umgebungstemperatur (∆T) zwischen der Wolke und dem Hintergrund (Abbildung 13).

Abbildung 13. Differenz bei der reflektierten Umgebungstemperatur (∆T)

Grundlegende Konzepte, um Gaswolken sichtbar zu machen

• das Gas muss Infrarotstrahlung in dem Frequenzband absorbieren, das die Kamera sehen kann
• zwischen der Gaswolke und dem Hintergrund muss ein Strahlungskontrast vorhanden sein
• die reflektierte Umgebungstemperatur der Wolke muss sich von der reflektierten Umgebungstemperatur des Hintergrunds unterscheiden
• Bewegung macht die Wolke einfacher sichtbar

• Indem Sie sicherstellen, dass Ihre OGI-Instrumente für Temperaturmessungen kalibriert sind, liefern diese Ihnen kritische Werte, mit denen Sie die Differenz bei der reflektierten Umgebungstemperatur (∆T) zwischen dem Gas und dem Hintergrund beurteilen können.