Дешевле, но не хуже: в России создали оптические датчики для анализа газов, которые конкурируют с зарубежными
Российские ученые разработали ключевые элементы для высокоточных, быстродействующих и компактных газоанализаторов — компоненты оптических датчиков.
Оптические газоанализаторы — это приборы, которые позволяют определить качественный и количественный состав смесей газов по их способности поглощать или излучать свет в инфракрасном диапазоне. Такие приборы находят широкое применение в разных сферах жизни и отраслях экономики: от мониторинга дыхания пациентов в медучреждениях до обнаружения утечек опасных газов на промышленных объектах. Ученые из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН разработали высокоэффективные компоненты для оптических датчиков, которые соответствуют уровню мировых лидеров при гораздо более низкой стоимости.
Основой оптического датчика являются два элемента: светодиод, который генерирует излучение инфракрасного диапазона (длина волны 3–5 мкм) и фотоприемник, который регистрирует это излучение. Проходя через различные среды, излучение светодиода поглощается в разной степени, а фотоприемник фиксирует эти изменения. Поэтому, зная характерные спектральные линии поглощения ИК излучения такими веществами, как, например углекислый газ или этиловый спирт, можно зафиксировать в воздухе их присутствие и концентрацию.
—заведующий лабораторией инфракрасной оптоэлектроники ФТИ имени А. Ф. Иоффе Максим Ременный.
Для получения полупроводниковых материалов (гетероструктур) для таких датчиков ученые ФТИ имени А. Ф. Иоффе используют собственную технологию, которая позволяет создавать светодиоды с высокими значениями эффективности, а также высокочувствительные фотоприемники, способные фиксировать предельно низкие концентрации газов.
Светодиоды для кремниевой фотоники создаются на основе кремния с добавлением германия и олова. Эти элементы излучают свет в инфракрасном диапазоне, который используется для оптической связи и детектирования газов. Технология изготовления светодиодов была разработана учеными ФТИ имени А. Ф. Иоффе и позволяет получать высокую эффективность излучения.
Фотоприемники для анализа газов создаются на основе гетероструктур из соединений арсенида галлия и индия. Эти элементы обладают высокой чувствительностью и быстродействием, что позволяет фиксировать предельно низкие концентрации газов, таких как метан, углеводороды и углекислый газ. Технология создания фотоприемников также была разработана учеными ФТИ имени А. Ф. Иоффе и позволяет получать высокое качество детектирования.
— Максим Ременный.
Мелкосерийное производство датчиков будет запущено на базе индустриального партнера — ООО «ИоффеЛЕД» — малой инновационной компании, которая была создана при участии ФТИ имени А. Ф. Иоффе.
Газоанализаторы — не единственная область применения изобретений лаборатории. Ученые ФТИ имени А. Ф. Иоффе придумали новый способ делать светящиеся и светочувствительные приборы из особых материалов, которые называются твердотельными сплавами A2B4-A2B6. Эти материалы очень хорошо светятся и реагируют на свет, потому что у них есть большой зазор между энергиями электронов внутри них. Приборы, сделанные из этих материалов, хорошо работают при разных условиях, не ломаются и не теряют яркости. Они также потребляют мало энергии и могут быстро включаться и выключаться. Такие приборы можно использовать для разных целей, например, для подсветки экранов, передачи данных по свету, лечения болезней, получения энергии от солнца и других.
В настоящее время, сотрудники института разрабатывают датчики-газоанализаторы для систем пожаротушения нового российского пассажирского самолета МС-21, систем общей пожарной безопасности и контроля состава атмосферы для различных промышленных и медицинских применений.
Оптические газоанализаторы — это приборы, которые позволяют определить качественный и количественный состав смесей газов по их способности поглощать или излучать свет в инфракрасном диапазоне. Такие приборы находят широкое применение в разных сферах жизни и отраслях экономики: от мониторинга дыхания пациентов в медучреждениях до обнаружения утечек опасных газов на промышленных объектах. Ученые из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН разработали высокоэффективные компоненты для оптических датчиков, которые соответствуют уровню мировых лидеров при гораздо более низкой стоимости.
Основой оптического датчика являются два элемента: светодиод, который генерирует излучение инфракрасного диапазона (длина волны 3–5 мкм) и фотоприемник, который регистрирует это излучение. Проходя через различные среды, излучение светодиода поглощается в разной степени, а фотоприемник фиксирует эти изменения. Поэтому, зная характерные спектральные линии поглощения ИК излучения такими веществами, как, например углекислый газ или этиловый спирт, можно зафиксировать в воздухе их присутствие и концентрацию.
Мы разработали компактные источники и приемники инфракрасного излучения, которые могут использоваться для создания оптических газоанализаторов-капнографов — устройств, измеряющих концентрацию углекислого газа у пациента во время искусственной вентиляции легких. В последние годы аппараты ИВЛ стали особо актуальными при терапии тяжелой формы COVID-19. Кроме того, наши компоненты являются ключевыми элементами датчиков в составе специальных рамок для экспресс-тестов на алкоголь у сотрудников промышленных предприятий
—заведующий лабораторией инфракрасной оптоэлектроники ФТИ имени А. Ф. Иоффе Максим Ременный.
Для получения полупроводниковых материалов (гетероструктур) для таких датчиков ученые ФТИ имени А. Ф. Иоффе используют собственную технологию, которая позволяет создавать светодиоды с высокими значениями эффективности, а также высокочувствительные фотоприемники, способные фиксировать предельно низкие концентрации газов.
Светодиоды для кремниевой фотоники создаются на основе кремния с добавлением германия и олова. Эти элементы излучают свет в инфракрасном диапазоне, который используется для оптической связи и детектирования газов. Технология изготовления светодиодов была разработана учеными ФТИ имени А. Ф. Иоффе и позволяет получать высокую эффективность излучения.
Фотоприемники для анализа газов создаются на основе гетероструктур из соединений арсенида галлия и индия. Эти элементы обладают высокой чувствительностью и быстродействием, что позволяет фиксировать предельно низкие концентрации газов, таких как метан, углеводороды и углекислый газ. Технология создания фотоприемников также была разработана учеными ФТИ имени А. Ф. Иоффе и позволяет получать высокое качество детектирования.
По своим характеристикам наши оптические компоненты для газоанализаторов соответствуют уровню мировых лидеров при гораздо более низкой стоимости. Если же говорить об отечественном рынке, то наша разработка по ряду параметров превосходит существующие российские аналоги
— Максим Ременный.
Мелкосерийное производство датчиков будет запущено на базе индустриального партнера — ООО «ИоффеЛЕД» — малой инновационной компании, которая была создана при участии ФТИ имени А. Ф. Иоффе.
Газоанализаторы — не единственная область применения изобретений лаборатории. Ученые ФТИ имени А. Ф. Иоффе придумали новый способ делать светящиеся и светочувствительные приборы из особых материалов, которые называются твердотельными сплавами A2B4-A2B6. Эти материалы очень хорошо светятся и реагируют на свет, потому что у них есть большой зазор между энергиями электронов внутри них. Приборы, сделанные из этих материалов, хорошо работают при разных условиях, не ломаются и не теряют яркости. Они также потребляют мало энергии и могут быстро включаться и выключаться. Такие приборы можно использовать для разных целей, например, для подсветки экранов, передачи данных по свету, лечения болезней, получения энергии от солнца и других.
В настоящее время, сотрудники института разрабатывают датчики-газоанализаторы для систем пожаротушения нового российского пассажирского самолета МС-21, систем общей пожарной безопасности и контроля состава атмосферы для различных промышленных и медицинских применений.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...