ҚазҰУ ғалымдары лазерлік газ сенсорларының жаңа технологиясын әзірлеуде

Әл-Фараби атындағы әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті ғалымдары газ ортасын бақылауға арналған жаңа буын лазерлік сенсорларды әзірлеуге бағытталған ғылыми зерттеу жүргізуде. Бұл жоба қазіргі заманғы қолданбалы физика, фотоника, сенсорлық технологиялар және цифрлық сигналдарды өңдеу салаларының тоғысында жүзеге асырылып жатыр. Зерттеу жұмыстары өндірістік қауіпсіздікті арттыруға, қауіпті газдардың концентрациясын дәл анықтауға және өнеркәсіптік процестерді бақылаудың жаңа тиімді әдістерін жасауға бағытталған.

Заманауи өндірісте қолданылатын көптеген сенсорлық жүйелер күрделі және қымбат оптикалық құралдарға негізделген. Мұндай құрылғылардың бағасы жоғары болғандықтан, оларды кең көлемде қолдану әрдайым тиімді бола бермейді. Осыған байланысты ғалымдар қарапайым құрылымға ие, шағын өлшемді және салыстырмалы түрде арзан жаңа типтегі сенсорларды жасауға ерекше назар аударып отыр. Жобаның негізгі идеясы лазерлік сәулеленудің флуктуациялық сигналдарын талдау арқылы газдың түрін және оның концентрациясын анықтай алатын жаңа теориялық және эксперименттік тәсілді әзірлеу болып табылады.

Зерттеу барысында ерекше назар сигналдардың күрделі табиғатын түсіндіруге аударылады. Лазерлік сенсорлардан алынатын сигналдар көбіне сызықтық емес сипатқа ие және олардың құрамында кездейсоқ флуктуациялар болады. Дәстүрлі өлшеу әдістері мұндай сигналдарды толық сипаттай алмайды. Сондықтан зерттеушілер ақпарат теориясына негізделген жаңа тәсілді қолдануды ұсынып отыр. Бұл әдіс ақпарат пен энтропия ұғымдарына сүйенеді. Физикалық тұрғыдан алғанда, ақпарат жүйедегі тәртіп пен анықтылықтың өлшемі болып саналады, ал энтропия белгісіздік пен ретсіздіктің деңгейін сипаттайды. Флуктуациялық процестердің жылдам өзгеретін компоненттері ақпараттың пайда болуына әкелсе, олардың орташа диссипативтік қасиеттері энтропиямен байланысты болады. Мұндай өзара байланыс статистикалық физикадағы флуктуация-диссипация принциптерімен түсіндіріледі.

Жоба аясында ғалымдар газдың концентрациясы мен лазерлік сенсор сигналы арасындағы байланысты сипаттайтын жаңа теориялық модель құруды жоспарлап отыр. Бұл модельде газ концентрациясының өзгеруі сигналдың спектрлік қасиеттері арқылы анықталады. Теория бойынша, белгілі бір критикалық концентрация деңгейі болады. Егер газ концентрациясы осы деңгейден төмен болса, жүйеде когерентті режим байқалады, яғни сигнал параметрлері тұрақты күйде болады. Ал концентрация жоғарылаған кезде сенсор сигналының қанығуы байқалады. Мұндай жағдай өндірістік процестерде қауіпті газдардың жиналуын білдіруі мүмкін. Сондықтан сенсордың бұл режимдерді дәл анықтай алуы қауіпсіздік жүйелері үшін маңызды.

Зерттеудің маңызды бөлігі эксперименттік жұмыстармен байланысты. Ғалымдар лазер сәулесінің әртүрлі газ қоспалары арқылы өткен кездегі сигналдарды тіркеу үшін арнайы эксперименттік қондырғы дайындайды. Эксперимент барысында жартылай өткізгіш лазер сәулесі белгілі концентрациядағы газ қоспалары бар камера арқылы өткізіледі. Сәуле өткеннен кейін оның қарқындылығы фотодиод арқылы тіркеледі және алынған сигналдар электрондық күшейткіш пен компьютерлік жүйелер арқылы өңделеді. Бұл процесте сигналдардың флуктуациялық спектрі, олардың статистикалық қасиеттері және уақыт бойынша өзгеру ерекшеліктері талданады.

Алынған эксперименттік нәтижелер теориялық есептеулермен салыстырылады. Мұндай салыстыру лазерлік сенсорлардың жұмыс істеу принциптерін тереңірек түсінуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар бұл әдіс газдардың әртүрлі түрлерін олардың молекулалық құрылымының ерекшеліктері бойынша ажыратуға көмектеседі. Мысалы, метан, аммиак немесе этанол сияқты газдардың молекулалық симметриясы әртүрлі болғандықтан, олардың лазер сәулесімен әрекеттесу ерекшеліктері де өзгеше болады. Осы айырмашылықтар сенсор сигналдарының спектрлік құрылымында байқалады.

Жобада қолданылатын тағы бір маңызды бағыт — цифрлық технологияларды пайдалану. Ғалымдар сенсордан алынған мәліметтерді автоматты түрде өңдеп, оларды қашықтағы бақылау жүйелеріне жіберу мүмкіндігін қарастыруда. Мұндай жүйелер заманауи IoT технологияларына негізделеді. Сенсорлардан алынған деректер арнайы байланыс протоколдары арқылы бірнеше километр қашықтықтағы талдау орталықтарына жіберілуі мүмкін. Бұл өндірістік объектілерде немесе инфрақұрылымдық нысандарда газдардың деңгейін үздіксіз бақылауға мүмкіндік береді.

Жобаның нәтижелері ғылыми тұрғыдан да, практикалық тұрғыдан да маңызды болуы мүмкін. Біріншіден, зерттеу лазерлік сенсорика, фотоника және қолданбалы физика салаларындағы теориялық білімдерді кеңейтуге ықпал етеді. Екіншіден, алынған нәтижелер жаңа технологиялық шешімдер жасауға негіз болады. Ұсынылып отырған сенсорлар қазіргі уақытта қолданылатын күрделі оптикалық құрылғыларға қарағанда әлдеқайда қарапайым әрі арзан болуы мүмкін. Егер дәстүрлі сенсорлық жүйелердің бағасы бірнеше мың долларды құраса, жаңа технология негізінде жасалатын сенсорлардың құны айтарлықтай төмен болуы ықтимал.

Сонымен қатар мұндай сенсорлар өндірістік кәсіпорындарда, энергетика саласында, көлік инфрақұрылымында және экологиялық мониторинг жүйелерінде кеңінен қолданылуы мүмкін. Қауіпті газдардың концентрациясын ерте кезеңде анықтау өндірістік апаттардың алдын алуға көмектеседі және жұмыс орындарындағы қауіпсіздік деңгейін арттырады.

Жалпы алғанда, ҚазҰУ ғалымдары жүргізіп жатқан бұл зерттеу лазерлік сенсорлық технологияларды дамытудағы маңызды қадамдардың бірі болып табылады. Ақпараттық-энтропиялық және флуктуациялық талдау әдістерін қолдану арқылы күрделі сигналдарды зерттеудің жаңа тәсілдері ұсынылып отыр. Мұндай ғылыми ізденістер болашақта қауіпсіз өндіріс жүйелерін дамытуға, өнеркәсіптік процестерді тиімді басқаруға және заманауи цифрлық технологияларды қолдануға жаңа мүмкіндіктер ашуы мүмкін.