KIZILÖTESİ GAZ SOĞURMA SPEKTRUMU
Gaz bileşiklerinin birçoğu için, kızılötesi soğurma özelliği dalga boyuna bağlıdır. 3A ve 3B şekillerinde, propan ve metan için soğurma tepe noktası, grafiklerdeki geçirgenlik çizgilerindeki şiddetli düşüş ile gösterilmektedir. Sarı bölgeler, optik gaz görüntüleme kamerasında kullanılan örnek bir spektral filtreyi temsil eder. Bu sarı alan, arka plandaki kızılötesi enerjinin görüntülenmek istenen gaz tarafından soğurulacağı dalga boyu aralığına karşılık gelecek şekilde tasarlanmıştır.
Figür 3A. Propan'ın kızılötesi soğurma karakteristiği
Figür 3B. Metan'ın kızılötesi soğurma karakteristiği
Çoğu hidrokarbon enerjiyi yaklaşık 3.3 μm'ye kadar soğurur, bu nedenle Şekil 3'teki örnek filtre çok çeşitli gazları saptamak için kullanılabilir. 400'den fazla ek bileşik için yanıt faktörleri (RF) aşağıdaki sitede mevcuttur: http://rfcalc.providencephotonics.com
Etilen iki güçlü soğurma bandına sahiptir, ancak uzun dalga algılayıcı bir sensör bu gazı aşağıda gösterilen geçirgenlik eğrisine dayanarak orta dalga algılayıcısından daha hassas bir şekilde algılar.
Kamerayı, sadece bir gazın en yüksek soğurma noktasına sahip olduğu dalga boyunda çalıştıracak şekilde filtrelemek gazın görünürlüğünü arttıracaktır. Gaz, arka plandaki cisimlerden gelen radyasyonu daha fazla soğuracaktır.
Figür 4. Etilen'ın kızılötesi soğurma karakteristiği
NEDEN BAZI GAZLAR KIZILÖTESİ RADYASYONU SOĞURUR?
Mekanik açıdan bakıldığında, bir gazdaki moleküller yaylarla birbirine bağlanmış ağırlıklar (Şekil 5) olarak düşünülebilir. Atomların sayısına, ilgili boyutlarına, kütlelerine ve yayların elastik sabitine bağlı olarak, moleküller verilen yönlerde hareket edebilir, bir eksen boyunca titreşebilir, dönebilir, bükülebilir, uzayabilir, sertleşebilir, salınabilir, vs.
En basit gaz molekülleri, helyum (He), neon (Ne) veya kripton (Kr) gibi tekli atomlardır. Titreşim veya dönme hareketi yapamazlar, bu nedenle bir seferde yalnızca bir yönde dönerek hareket edebilirler.
Figür 5. Tek atom
Bir sonraki en karmaşık molekül kategorisi oksijen(O2) ve hidrojen(H2), azot(N2) gibi iki atomdan oluşan homonükleerlerdir. Eksenlerinin etrafında dolanma yeteneğine sahiptirler. Dönme hareketine ek olarak.
Figür 6. İki atom
Bir diğer karmaşık molekül grubu da, karbondioksit (CO2), metan (CH4), kükürt heksaflorür (SF6) veya stiren (C6H5CH = CH2) gibi karmaşık diyatomik moleküllerdir(bunlar sadece birkaç örnektir).
Figür 7. Karbondioksit - molekül başına 3 atom
Bu varsayım çok atomlu moleküller için de geçerlidir.
Figür 8. Metan
Molekül başına 5 atom
Figür 9. Sülfür Hekzaflorür
Molekül başına 6-7 atom
Figür 10. Stiren
Molekül başına 16 atom
Arttırılmış mekanik serbestlik dereceleri, çoklu dönme ve titreşim geçişlerine izin vermektedir. Çok sayıda atomdan üretildiklerinden, ısıyı basit moleküllerden daha etkili bir şekilde emebilir ve yayabilirler. Geçişlerin sıklığına bağlı olarak, bazıları kızılötesi kameranın hassas olduğu kızılötesi bölgesinde bulunan enerji aralıklarına düşmektedir.
Tablo 1. Moleküler hareketlerin frekans ve dalgaboyu aralığı
Bir molekülün, bir durumdan başka bir duruma geçişiyle bir fotonu (kızılötesi enerjinin) sönümlemesi için, molekül, uyarıcı foton ile aynı frekansta kısaca salınabilen bir dipol momentine sahip olmalıdır. Bu kuantum mekaniksel etkileşimi, fotonun elektromanyetik alan enerjisinin molekül tarafından "transfer edilmesini" veya sönümlemesini sağlar.
Optik gaz görüntüleme kameraları, onları kendi doğal ortamlarında görselleştirmek için belirli moleküllerin emici doğasından yararlanır. Kamera FPA'ları ve optik sistemler, yüzlerce nanometre sırasına göre çok dar spektral aralıklara özel olarak ayarlanmış ve bu nedenle oldukça seçicidirler. Sadece kızılötesi bölgedeki dar bir bantta bulunan, geçirgen filtre tarafından sınırlandırılmış gazlar tespit edilebilir (Şekil 3, 4).
GAZLARIN GÖRÜNTÜLENMESİ
Eğer kamera gaz kaçağı olmayan bir bölgeye tutulursa, görüş alanındaki nesneler kameranın lensi ve filtresi boyunca kızılötesi radyasyon yayar ve yansıtır. Filtre, dedektörden yalnızca belirli dalga boylarında radyasyonların geçişine izin verir ve kamera bu durumda radyasyon yoğunluğunun kompanze edilmemiş bir görüntüsünü oluşturur. Nesneler ve kamera arasında bir gaz bulutu varsa ve bu gaz, filtrenin bant geçirme aralığında radyasyonu emerse, buluttan dedektöre geçen radyasyon miktarı azalacaktır (Figür 11).
Figür 11. Bir gaz bulutunun etkisi
Bulutu arka plan sayesinde görmek için, bulut ve arkaplan arasında bir sıcaklık farklılığı olmak zorundadır. Yani, bulutun yaydığı radyasyon miktarı, soğurduğu radyasyon miktarı ile aynı olmamalıdır (Figür 12). Figür 12'deki mavi ok, kırmızı okla aynı boyuttaysa, gaz bulutu optik gaz görüntüleme kameraları tarafından görünemez.
Figür 12. Gaz bulutunun parlak kontrastı
Gerçekte, buluttaki moleküllerden yansıyan radyasyon miktarı çok küçüktür ve göz ardı edilebilir. Dolayısıyla, bulutu görünür hale getirmenin en önemli noktası bulut ile arka plan arasındaki görünür sıcaklık farkıdır (Figür 13).
Figür 13. Görünür sıcaklık farkı
GAZLARI GÖRÜNÜR YAPABİLMEK İÇİN ANAHTAR NOKTALAR
• Gaz, kameranın gördüğü dalga bandındaki kızılötesi radyasyonu soğurmalıdır.
• Gaz bulutu, arka planla parlak kontrast oluşturmalıdır.
• Gaz bulutunun görünür sıcaklığı arka plandan farklı olmalıdır.