氢气是一种很有前途的能源，具有多种优势 - 与化石燃料相比，它重量轻、可储存、能量密度高、环境友好，不会产生污染物或温室气体排放。因此，它在交通、建筑、发电和工业等不同领域都有广泛的应用。
然而，氢气易燃，因此其安全和广泛使用需要可靠的方法来检测泄漏并确保其纯度。对可靠检测方法的需求使得痕量气体传感技术的发展成为必要。虽然已经开发了几种用于氢气传感的方法，但没有一种方法能提供最佳性能。
一种很有前景的方法是可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术，该技术因用于检测各种气体而备受关注。TDLAS 具有几个关键优势，包括非接触式测量、原位检测、高选择性、快速响应、低成本以及多组分、多参数测量能力。它的工作原理是气体吸收特定波长的光，导致吸收光谱中出现一条暗线，称为吸收线。通过测量在此波长下被吸收的激光量，可以确定气体的浓度。然而，用 TDLAS 检测低浓度的氢气很困难，因为与其他气体相比，氢气在红外区域的吸收较弱。
为了解决这一问题，由千叶大学工程研究生院副教授椎名达男领导的日本研究小组开发了一种使用 TDLAS 精确测量氢气的创新方法。该团队由千叶大学工程研究生院的 Alifu Xiafukaiti 和 Nofel Lagrosas、四国综合研究所的朝日一平和东海大学理学院的山口茂组成。他们的研究于 2024 年 8 月 13 日在线发布，并将于 2025 年 1 月 1 日发表在《光学与激光技术》杂志第 180 卷上。
“在这项研究中，我们通过对 TDLAS 装置中的压力和调制参数进行精细控制，实现了对氢气的高灵敏度检测，”Shiina 教授说道。“此外，我们引入了一种无需校准的技术，确保了对各种浓度的适应性。”
在 TDLAS 中，激光穿过一个加压气体室，称为 Herriott 多通道室 (HMPC)，其中包含目标气体。激光的波长以特定频率围绕气体的目标吸收线进行调制或振荡，以消除任何环境噪声。HMPC 中的压力可以显著影响吸收线宽度，从而影响 TDLAS 下的调制参数。
研究人员仔细分析了不同压力下氢最强吸收线的宽度。通过模拟，研究人员确定了更宽吸收线宽度的最佳压力以及该线宽内最有效的调制参数。他们的无校准技术涉及使用调制吸收信号的第一谐波通过其比率对第二谐波进行归一化，而不是像传统 TDLAS 系统那样仅仅依赖第二谐波信号。此外，他们使用含有纯氢的高压气室作为参考来微调激光信号的调制参数。
通过这种创新方法，研究人员实现了氢浓度的精确测量，检测范围从 0.01% 到 100%，其中 0.01% 相当于 100 ppm。此外，随着积分时间（允许光被吸收的时间段）的延长，结果会得到改善。在 0.1 秒积分时间内，最低检测限为 0.3% 或 30,000 ppm，在 30 秒积分时间内提高到 0.0055% 或 55 ppm。然而，超过 30 秒，最低检测限就会增加。
“我们的系统可以显著改善氢气检测系统的安全性和质量控制，促进氢燃料的广泛应用，”椎名教授补充道。“例如，该系统可以可靠地用于检测氢燃料电池汽车的泄漏。”
这项开创性的技术可以为可持续的未来铺平道路，并促进氢作为环保燃料的应用。
