HAMAMATSU, Japan, 25. avgusta 2021.-Hamamatsu Photonics i Nacionalni institut za naprednu industrijsku nauku i tehnologiju (AIST) u Tokiju sarađivali su na potpuno optičkom, prenosivom sistemu za praćenje gasa za predviđanje vulkanskih erupcija sa visokim stepenom osjetljivosti. Osim što pruža stabilan, dugotrajan nadzor vulkanskih plinova u blizini vulkanskih kratera, prijenosni analizator mogao bi se koristiti i za otkrivanje curenja otrovnog plina u kemijskim postrojenjima i kanalizaciji te za mjerenje atmosfere.

Sistem sadrži minijaturni kvantno-kaskadni laser (QCL) sa talasnom dužinom koji je razvio Hamamatsu. S veličinom otprilike 1/150 veličine prethodnih QCL-ova, laser je najmanji QCL na svijetu koji prelazi valnom duljinom. Pogonski sistem za sistem nadzora gasa, razvijen od strane AIST -a, omogućit će da se maleni QCL montira u lagane, prijenosne analizatore koji se mogu nositi bilo gdje.
Najmanji QCL sa talasnom dužinom na svijetu je samo 1/150 veličine prethodnih QCL-a sa talasnom dužinom. Ljubaznošću Hamamatsu Photonics KK i Nove organizacije za razvoj energije i industrijske tehnologije (NEDO).
Koristeći Hamamatsuov postojeći mikroelektromehanički sistem (MEMS) tehnologiju, programeri su u potpunosti redizajnirali QEM -ovu MEMS difrakcionu rešetku, smanjivši je na otprilike 1/10 veličine konvencionalnih rešetki. Tim je također upotrijebio mali magnet koji je bio uređen da smanji nepotreban prostor, i precizno sastavio ostale komponente s tačnošću do jedinica od 0,1 μm. Vanjske dimenzije QCL -a su 13 × 30 × 13 mm (Š × D × V).

QCL-ovi s valovitom dužinom koriste MEMS difrakcijsku rešetku koja raspršuje, reflektira i emitira srednje infracrveno svjetlo uz brzo pomicanje valne duljine. Hamamatsuov talasni QCL može se podesiti u rasponu valnih duljina od 7 do 8 μm. Ovaj raspon lako apsorbiraju plinovi SO2 i H2S koji se smatraju ranim prediktorima moguće vulkanske erupcije.

Kako bi postigli podesivu valnu duljinu, istraživači su koristili tehnologiju dizajna uređaja koja se temelji na kvantnom efektu. Za sloj koji emitira svjetlost QCL elementa koristili su anti-crossed dizajn s dvostrukim gornjim stanjem.

Kada se QCL sa talasnom dužinom pomeri sa pogonskim sistemom koji je razvio AIST, može postići brzinu brisanja talasne dužine koja postiže kontinuirani spektar srednje infracrvene svetlosti u roku od 20 ms. Brzo prikupljanje spektra QCL-om olakšat će analizu prolaznih pojava koje se brzo mijenjaju s vremenom. Spektralna rezolucija QCL -a je oko 15 nm, a maksimalna vršna snaga je približno 150 mW.

Trenutno većina analizatora koji se koriste za otkrivanje i mjerenje vulkanskih plinova u stvarnom vremenu imaju elektrokemijske senzore. Elektrode u ovim senzorima - i performanse analizatora - brzo se pogoršavaju, zbog stalne izloženosti otrovnom gasu. Potpuno optički analizatori plina koriste dugotrajni izvor svjetlosti i zahtijevaju manje održavanja, ali optički izvor svjetlosti može zauzeti puno prostora. Veličina ovih analizatora otežava njihovu instalaciju u blizini vulkanskih kratera.

Sljedeća generacija sistema za nadzor vulkanskih plinova, opremljena sa sićušnim QCL-om sa valnom dužinom, pružit će vulkanologima potpuno optičku, kompaktnu, prijenosnu jedinicu koja ima visoku osjetljivost i jednostavno održavanje. Istraživači iz Hamamatsua i njihove kolege iz AIST -a i Organizacije za razvoj nove energije i industrijske tehnologije (NEDO), koja je podržala projekt, nastavit će istraživati ​​načine za povećanje osjetljivosti analizatora i smanjenje održavanja.

Tim planira posmatranja u više tačaka kako bi testirao i demonstrirao prenosivi analizator. Planirano je da se proizvodi koji koriste QCL sa talasnim dužinama i pogonska kola zajedno sa Hamamatsu fotodetektorima puste u prodaju 2022. godine.