هاماماتسو ، اليابان ، 25 أغسطس 2021 - تعاونت هاماماتسو الضوئية والمعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة (AIST) في طوكيو على نظام مراقبة الغازات الضوئية والمحمولة بالكامل للتنبؤ بالانفجارات البركانية بدرجة عالية من الحساسية. بالإضافة إلى توفير مراقبة مستقرة وطويلة الأجل للغازات البركانية بالقرب من الحفر البركانية ، يمكن أيضًا استخدام المحلل المحمول للكشف عن تسرب الغازات السامة في المصانع الكيماوية والمجاري ولإجراء قياسات الغلاف الجوي.

يحتوي النظام على ليزر شلال كمي مصغر بطول الموجة (QCL) تم تطويره بواسطة Hamamatsu. في حوالي 1/150 من حجم QCLs السابقة ، يعد الليزر أصغر QCL طول الموجة في العالم. سيسمح نظام القيادة لنظام مراقبة الغاز ، الذي طورته AIST ، بتركيب QCL الصغير في محللات خفيفة الوزن ومحمولة يمكن حملها في أي مكان.
أصغر قطر موجي تم اجتيازه في العالم هو 1/150 فقط من حجم QCLs السابق الذي تم اكتساحه من حيث الطول الموجي. بإذن من Hamamatsu Photonics KK ومنظمة الطاقة الجديدة وتنمية التكنولوجيا الصناعية (NEDO).
من خلال الاستفادة من تقنية النظام الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) الموجودة في هاماماتسو ، أعاد المطورون تصميم شبكة حيود QCL's MEMS بالكامل ، مما قللها إلى حوالي 1/10 من حجم الشبكات التقليدية. استخدم الفريق أيضًا مغناطيسًا صغيرًا تم ترتيبه لتقليل المساحة غير الضرورية ، وقام بتجميع المكونات الأخرى بدقة بدقة تصل إلى وحدات تبلغ 0.1 ميكرومتر. الأبعاد الخارجية لـ QCL هي 13 × 30 × 13 مم (العرض × العمق × الارتفاع).

تستخدم QCLs ذات الطول الموجي محزوز حيود MEMS الذي يشتت ويعكس ويصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة مع تغيير الطول الموجي بسرعة. QCL الذي اجتاحته موجة هاماماتسو قابل للضبط في نطاق الطول الموجي من 7 إلى 8 ميكرومتر. يتم امتصاص هذا النطاق بسهولة عن طريق غازات SO2 و H2S التي تعتبر تنبؤات مبكرة لثوران بركاني محتمل.

لتحقيق طول موجي قابل للضبط ، استخدم الباحثون تقنية تصميم جهاز تعتمد على التأثير الكمي. بالنسبة للطبقة الباعثة للضوء لعنصر QCL ، استخدموا تصميمًا مزدوج الحالة العليا مضادًا للتقاطع.

عندما يتم دمج QCL ذو الطول الموجي مع نظام القيادة الذي طوره AIST ، فإنه يمكن أن يحقق سرعة كنس الطول الموجي التي تكتسب طيفًا مستمرًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء في غضون 20 مللي ثانية. سيسهل اكتساب QCL عالي السرعة للطيف تحليل الظواهر العابرة التي تتغير بسرعة بمرور الوقت. تبلغ الدقة الطيفية لـ QCL حوالي 15 نانومتر ، ويبلغ أقصى خرج للذروة حوالي 150 ميغاواط.

في الوقت الحالي ، تحتوي معظم أجهزة التحليل المستخدمة للكشف عن الغازات البركانية وقياسها في الوقت الفعلي على مستشعرات كهروكيميائية. تتدهور الأقطاب الكهربائية في هذه المستشعرات - وأداء المحلل - بسرعة بسبب التعرض المستمر للغازات السامة. تستخدم جميع أجهزة تحليل الغاز الضوئية مصدر ضوء طويل العمر وتتطلب صيانة أقل ، لكن مصدر الضوء البصري يمكن أن يشغل مساحة كبيرة. حجم هذه أجهزة التحليل يجعل من الصعب تركيبها بالقرب من الحفر البركانية.

سيوفر نظام مراقبة الغاز البركاني من الجيل التالي ، المجهز بجهاز QCL الصغير ذي الطول الموجي ، لعلماء البراكين وحدة بصرية ومضغوطة ومحمولة بالكامل تتمتع بحساسية عالية وسهولة الصيانة. سيستمر الباحثون في هاماماتسو وزملاؤهم في AIST ومنظمة تطوير التكنولوجيا الصناعية والطاقة الجديدة (NEDO) ، التي دعمت المشروع ، في البحث عن طرق لزيادة حساسية المحلل وتقليل الصيانة.

يخطط الفريق لملاحظات متعددة النقاط لاختبار وإظهار المحلل المحمول. من المقرر إطلاق المنتجات التي تستخدم دوائر QCL ذات الطول الموجي ودوائر القيادة جنبًا إلى جنب مع أجهزة الكشف الضوئي Hamamatsu في عام 2022.