Сверхчувствительный детектор пламени поможет бороться с лесными пожарами
Детектор ультрафиолетовых фотонов, разработанный для нужд физики элементарных частиц, нашел неожиданное практическое применение: с его помощью можно издалека заметить открытое пламя даже в яркий солнечный день. Опыты показали, что его чувствительность в тысячи раз больше, чем у коммерчески доступных аналогов. Массовое производство таких детекторов станет радикальным решением для раннего обнаружения и предотвращения лесных пожаров.
Физика элементарных частиц — это не только высокая теория и сложнейший эксперимент, но и повод для развития новых технологий. Время от времени этим технологиям находится и побочное применение в наукоемкой промышленности или даже в повседневной жизни. Так, ускорители и детекторы элементарных частиц уже давно используются в медицине и материаловедении. Сейчас к их послужному списку добавилась еще одна строчка: сверхчувствительные детекторы открытого пламени. Об успешной работе и рекордных параметрах такого детектора рассказывается в недавнем препринте arXiv:0709.2819.
Авторы этой работы Владимир Песков и известный итальянский физик Антонино Дзикики (Antonino Zichichi) в 1980–90-е годы участвовали в проекте LAA (LAA Project) в ЦЕРНе (см. скан препринта с краткой информацией об этом проекте). Среди технологических задач, которыми они занимались, было создание детектора ультрафиолетовых фотонов для калориметров (детекторов, измеряющих энергию пролетающих частиц) на основе кристаллов BaF2. Прототип такого детектора был создан и успешно опробован в работе.
Как пишут авторы в своей статье, совсем недавно они заметили, что созданный ими ультрафиолетовый детектор «видит» не только сцинтилляционное свечение кристалла BaF2, но и свет обычного пламени, причем не только в темноте, но даже в ясную солнечную погоду. Это позволяет найти сугубо научному прибору новое и очень полезное практическое применение.
Вообще, идея детектировать открытое пламя по ультрафиолетовому излучению не нова. Солнечный свет такому детектору не мешает, поскольку тот реагирует не на полную яркость света, а лишь на довольно узкую область в ультрафиолетовом диапазоне вблизи длины волны 180–250 нм. В солнечном спектре такого света почти нет — его поглощает озоновый слой в верхней части земной атмосферы. Лампы накаливания в таком жестком ультрафиолете тоже не светят. Однако практически все виды пламени в этом диапазоне кое-что излучают, и это-то свечение и замечают детекторы.
В продаже уже давно имеются такие ультрафиолетовые детекторы по цене несколько десятков долларов. Самые лучшие из них — детекторы первого класса — позволяют заметить пламя площадью 0,1 м2 с расстояния в 25 метров (стандарт EN54–10:2002). Детектор, разработанный в ЦЕРНе, удовлетворяет этим требование с огромным запасом — на таком расстоянии он уверенно замечает пламя обычной зажигалки! Для сравнения авторы протестировали имеющийся в продаже детектор пламени UV TRON R2868 фирмы Hamamatsu и выяснили, что по чувствительности он уступает разработанному ими детектору более чем в тысячу раз.
Авторы приводят также и другие впечатляющие характеристики своего детектора. Время его реагирования составляет всего лишь несколько микросекунд, а вовсе не секунды, как в коммерчески доступных устройствах. Это позволяет использовать детектор для регистрации не только пламени, но и кратковременных искр. В режиме ожидания сам детектор потребляет меньше милливатта, и основное энергопотребление приходится лишь на электронику. Это означает, что такой детектор может питаться от компактной солнечной батареи, а значит, быть вполне автономным.
Практическая польза от такой разработки очевидна — автоматические системы наблюдения за возгоранием в быту и на производстве. Однако рекордная чувствительность этого устройства позволяет найти ему и еще одно применение — контроль за очагами лесных пожаров. Сеть из таких автономных датчиков, расставленных в сотне метров друг от друга, покрывающая большие площади леса, сможет заметить очаг пожара в самом его зародыше и вовремя подать сигнал в центр наблюдения. Сейчас эта задача стала чрезвычайно актуальной для многих южноевропейских стран.
Авторы работы подробно расписывают, что еще предстоит сделать для массового производства этих детекторов. По их оценкам, начальная цена одного такого устройства вместе с электроникой, солнечной батареей и радиопередатчиком не превысит 300 евро. Производство первой партии таких детекторов вполне по силам ЦЕРНовским лабораториям.
Источник: V. Peskov, A. Zichichi. A New Supersensitive Flame Detector and its Use for Early Forest Fire Detection // arXiv:0709.2819 [physics.ins-det].
-
Не совсем понятно, чем так уж отличается спектр пламени от спектра лампочки накаливания. И то и другое близко к АЧТ. А люминесцентные лампы помехи не создают? Ведь там есть УФ-составляющая.
И еще вопрос. Авторы используют в детекторе какой-то хитрый газ. Что это за газ, и каковы его свойства, нужные для УФ-детектора?-
В пламенах есть сильные линии излучения, в том числе и в УФ диапазоне. По-видимому, они и вносят главный вклад на таких длинах волн. У лампочки накаливания таких сильных линий нет. Впрочем, лчше был конечно поглядеть на спектры излучения тех или иных веществ (в том числе и на спектры разных люминесцентных ламп), но что-то под рукой этих графиков нет.
Вообще, я подчеркну, что УФ детекторы пламени уже давно и рутинно используются. Особенность этой разработки -- резко улучшенная чувствительность детектора. Это, кстати, вполне естественное последствие того, что этот детектор разрабатывался изначально для физики элементарных частиц -- там каждый фотон на счету.
Газ, используемый в этом детекторе -- TMAE, триметиламиноэтил. Почему именно он удобен, не знаю. Но вообще его часто используют в детекторах, см. список статей: http://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/www?rawcmd=find+t+tmae
-
-
А что в этом такого? Вот были пожары в Греции -- прямо национальное бедствие было. Один лишь прямой материальный ущерб оценивается в полтора миллиарда евро. Даже части этих денег хватило бы, чтобы весь Пелопоннес такими детекторами обставить.
-
Разумеется, реденькие маслиновые рощи можно и лесами назвать... Ну что ж, тогда греческим поджигателям просто надо будет сначала сбить с невысокого деревца датчик, а потом уже чиркнуть спичкой...
Нет, я не против того, чтобы ЦЕРНовские учёные "срубили" денежный заказ. Но насчёт лесов, это, настаиваю, их "занесло". Уверен, что в наших лесах мы с их разработкой не столкнёмся...
-
Что касается костров, то казалось бы наиболее естественно ставить инфракрасные фотодатчики на спутники (с них всё как на ладони и много датчиков не надо). Читал в какой-то древней литературе, что на подобных фотографиях со спутника можно различать участки поверхности с разницей температуры в полградуса, а некоторые ракеты оснащают именно фоторезисторами, чтобы летели прямо на "огонёк". А вот ультрафиолет от земли спутник в достаточном количестве ловить вряд ли сможет из-за слабой прозрачности атмосферы в этом диапазоне (хотя желательно точно знать окна прозрачности).
-
Да, конечно, речь идет о разных областях в УФ спектре. Загар вызывает ближний УФ, UV-A, и его в солнечном свете много, а тут речь уже про область UV-C, как раз про те длины волн, которые почти польностью поглощаются озоном (потому и со спутника УФ сигнал от пламени не увидишь).
Насчет ИК датчиков на спутниках -- думаю, непрерывно (ну или хотя бы каждый виток спутника) мониторить большие площади с нужным разрешением нереально. Можно попытаться сделать оценку. Но по деньгам это точно будет слишком дорого. Кроме того, я подчеркну, даже в промышленных детекторах ИК датчики далеко не лучше УФ. Лучшими считаютс комбинированные.
Наконец, ИК фотоны ловить труднее, чем УФ. Просто ИК фотон с энергией порядка долей эВ уже мало чем эффективно поглотится с выбиванием электрона. А вот УФ детектирование можно сделать почти пофотонным.
Поэтому ИК датчики по совей природе обладают меньшей чувствительностью, чем УФ.-
Ультрафиолет в гораздо большей степени, чем низкие частоты, рассеивается атмосферой (сечение рэлеевского рассеяния пропорционально четвёртой степени частоты, в частности поэтому лучи солнца на закате теряют синюю составляющую, т.к. проходят сквозь большую толщу атмосферы, чем днём). Озон, как и любой другой газ, может поглощать только в пределах некоторых полос частот, соответствующих частотам возбуждений его молекул. Так что отдельные окна относительной прозрачности атмосферы должны, наверное, существовать и для жёсткого УФ.
Каждый фотон инфракрасного излучения может рождать в принципе по электрон-дырочной паре, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводникого материала. Это зависит от наличия не фотоактивных процессов поглощения, таких как нагрев и т.д. и определяет квантовую эффективность этого материала. УФ фотон может родить много таких пар, его эффективность больше, но по ряду причин (большие частоты поглощаются близко к поверхности, где пары быстрее рекомбинируют и т.д.) фототок имеет максимум, если верить книжкам, когда энергия фотонов совпадает с энергией запрещённой зоны. Более того, в лавинном фотодиоде создаются условия, когда возникшая в зоне обратно-смещённого p-n перехода пара порождает лавину. При этом коэффициент умножения для каждого фотона составляет десятки. Естественно, что фотодиоды должны быть чувствительнее фоторезисторов (в последних просто фиксируется изменение фототока).
Я мельком глянул статью. К сожалению, не заметил, чтобы авторы объяснили хоть как-то, почему их прибор на три порядка эффективнее аналогов, возможно, это их секрет, но тогда нужно регистрировать патент, а потом писать статью. Статья больше похожа на рекламку, хотя сама тема интересна. Судя по рисункам, их прибор работает в лавинном режиме, только вместо полупроводника - газ (не знаю, чем это лучше).-
> К сожалению, не заметил, чтобы авторы объяснили хоть как-то, почему
> их прибор на три порядка эффективнее аналогов, возможно, это их
> секрет, но тогда нужно регистрировать патент, а потом писать статью.
Так сам прибор был сделан уже давным-давно, в начале 1990-х, и описан он в нескольких публикациях, в статье есть ссылки. Эта заметка лишь говорит о том, что сейчас додумались применить его к регистрации пламени.
Вообще, еще раз подчеркну, все в физике элементарных чамстиц как раз и разрабатывается для максимальной чувствительности. Там на счету каждый УФ фотон. Есть немало примеров, когда прибор, созданный для ФЭЧ, потом пришел в "обычную жизнь" и имел на несколько порядков более высокую точность, чем обычные аналоги. Вот немножко есть тут: http://elementy.ru/lib/164593-
В ФЭЧ на счету каждый фотон с энергией 1 МэВ, что по энергии соответствует миллиону фотонов в видимом диапазоне. Ещё значение имеет себестоимость прибора. Конечно, при развитии фундаментальной науки возникают и интересные побочные прикладные продукты, как например Интернет или рентгеновские установки (но желательно отмечать всё же в чём собственно ноу-хау). Никто с этим не спорит.
-
> В ФЭЧ на счету каждый фотон с энергией 1 МэВ...
Не только. Например, этот счетчик ловит именно УФ фотоны, и старается по возможности поймать все (подробную документацию, я правда, не смотрел). В эксперименте эти должны быть ультрафиолетовые фотоны, которые высвечивает сцинтиллятор, после прохождения частицы. Количество зарегистрированных фотонов -- эта именно та величина, которая определяет статистические флуктуации сигнала, а значит, погрешность определения энергии пролетевшей частицы.
-
-
-
-
-
Что касается спутника, можно прикинуть. Пусть он на высоте L=1000 км, у него линза диаметром d=1 м, её фокусное расстояние F=10 м, диаметр матрицы фотодиодов xm=1 м, сам фотодиод размером xd=10^-5 м - больше длины волны (точные параметры я не знаю, если что, их легко поправить). Тогда угловой охват матрицы alpha=xm/F=0.1, соответственно диаметр охватываемой площади на поверхности земли S=alpha*L=100 км, т.е. на каждый фотодиод по 1 метру, что и будет разрешающей способностью. За время экспозиции изображение не должно уйти с фотодиода, это определит время экспозиции dt (можно вращать и объектив, не знаю насколько это реально и нужно), поэтому v*dt/L=dx/F, где v=10^4 м/с - скорость спутника. Отсюда dt=10^-4 с. Излучение чёрного тела на 1 м^2 его площади равно W=eps*sigma*T^4, где esp=1 - степень черноты тела, sigma=6*10^-8 Вт*м^2*К^-4. При температуре пламени порядка T=500 К, W=10^3 Вт. Если горит спичка, то площадь возгорания можно взять порядка 1 cм^2, тогда W=10^-1 Вт. В линзу попадёт 10^-7 от этого, т.е. W=10^-8 Вт (если принять, что всё излучение равномерно распределится по сфере радиуса 1000 км). Если фотоны имеют энергию порядка 0.1 эВ, то это составит порядка 10^12 фотонов в секунду. За время экспозиции - 10^8 фотонов. В принципе, должно быть достаточно. При изменении температуры, число фотонов изменяется как T^4, к тому же сдвигается их спектр (его можно отслеживать с помощью фотодиодов из материалов с разной шириной зоны и разными примесями). Наверное, можно ухитриться всё это регистрировать и обсчитывать. Таким образом, за dt=10^-4 с, смотрим 100 км^2, а за 1 секунду площадь, равную примерно территории Франции. Сразу отмечу, фотография будет искажена из-за конечного размера апертуры линзы (соотношение неопределённостей), но его, насколько я понимаю, можно восстановить (полученное изображение, если не ошибаюсь, есть интеграл от реального изображения, умноженного на определённую для данной апертуры функцию). Такие прикидки должны были, наверное, ещё лет сорок назад делать.
-
Я не возьмусь за анализ всех Ваших оценок :), но вот насчет матрицы метр на метр и на 10 ГИГАпикселов очень сомневаюсь. Про 1 гигапиксельную камеру слышал -- и это была очень нетривиальная технически затея. Конечно, так основная сложность состояла в оптике, но мне кажется даже создание работоспособной матрицы такого размера -- тоже очень сложная затея.
Да, еще бросилось в глаза: "В линзу попадёт 10^-7 от этого."
В линзу попадет не более (d/L)^2 = 10^(-12) доля от исходной мощности!-
Спасибо за указанную ошибку, действительно, мощность ослабевает, по крайней мере, в 10^-12 раз (я немного перепутал метры и километры). Тем не менее, до датчика долетают миллиарды фотонов. Наверное, можно как-то померить флуктуацию их числа от точки к точке или относительную разность частот?
Современные пятикопеечные фотоаппараты имеют 10 мегапикселей, неужели трудно разогнать это число до 10 гигапикселей?
-
-
Последние новости
