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
Где искать миллионы индейцев, погибших от оспы: новая теория может шокировать
Ученые доказали: могилы не пропали, их никто даже не копал. Но почему так произошло?...
Защитника замка словно пропустили через мясорубку: ученые воссоздали действие супероружия XIV века
Почему историки говорят, что это было даже не война, а технологическое шоу?...
Личность пророка Моисея, возможно, раскрыта: следы ведут к легендарной царице Египта
По словам историков, новое исследование собрало максимальное количество возможных доказательств...
Маяки на «космических батарейках»: почему советское наследие оказалось очень опасным?
Когда-то отечественные инженеры отлично справились со своей задачей, но за все в этой жизни нужно платить...
Марсианский детектив: аппарат разбил лазером камни на Красной планете и нашел внутри драгоценности
Почему ученые назвали это открытие огромным прорывом в планетологии?...
Удивительная суперспособность помогла человечеству пережить последний ледниковый период
Ученые говорят: древние люди даже не дрожали от холода. Но как это у них получалось?...
Разрушен миф о глупой птице-великане: что нашли ученые в черепе додо с Маврикия?
Сейчас наука считает: нелетающий голубь весом 15 килограмм был незаслуженно оболган. На самом деле, он был совсем другим...
Жизнь на Венере или хитрая афера: кому в 2020 году понадобилось запускать ракету на соседнюю планету?
Самое поразительное в этой истории то, что главный вопрос в ней так и остался открытым...
Проект A119: как Америка хотела бороться за мир во всем мире... ядерной бомбардировкой Луны
Почему же эта сверхамбициозная программа в итоге была отменена и что напугало в ней американских генералов?...
Небо зеленого цвета: почему ученые считали народы Севера «цветовыми инвалидами»?
И как так вышло, что сейчас у северян с цветовосприимчивостью все замечательно?...
На первом месте из 500: названы самые опасные в плане радиации профессии
С виду безобидные и престижные специальности оказались опаснее работы рядом с реактором или рентгеновским аппаратом...