HAMAMATSU, Ιαπωνία, 25 Αυγούστου 2021-Η Hamamatsu Photonics και το Εθνικό Ινστιτούτο Προηγμένης Βιομηχανικής Επιστήμης και Τεχνολογίας (AIST) στο Τόκιο συνεργάστηκαν σε ένα πλήρως οπτικό, φορητό σύστημα παρακολούθησης αερίου για την πρόβλεψη ηφαιστειακών εκρήξεων με υψηλό βαθμό ευαισθησίας. Εκτός από τη σταθερή, μακροπρόθεσμη παρακολούθηση των ηφαιστειακών αερίων κοντά σε ηφαιστειακούς κρατήρες, ο φορητός αναλυτής θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό διαρροών τοξικών αερίων σε χημικά εργοστάσια και υπονόμους και για ατμοσφαιρικές μετρήσεις.

Το σύστημα περιέχει ένα μικροσκοπικό, σαρωμένο μήκος κύματος κβαντικού λέιζερ (QCL) που αναπτύχθηκε από την Hamamatsu. Περίπου στο 1/150 του μεγέθους των προηγούμενων QCL, το λέιζερ είναι το μικρότερο QCL με μήκος κύματος στον κόσμο. Το σύστημα μετάδοσης κίνησης για το σύστημα παρακολούθησης αερίου, που αναπτύχθηκε από την AIST, θα επιτρέψει στο μικροσκοπικό QCL να τοποθετηθεί σε ελαφρούς, φορητούς αναλυτές που μπορούν να μεταφερθούν οπουδήποτε.
Το μικρότερο QCL με μήκος κύματος στον κόσμο είναι μόλις το 1/150 του μεγέθους των προηγούμενων QCL που σάρωσαν το μήκος κύματος. Ευγενική παραχώρηση της Hamamatsu Photonics KK και του New Energy and Industrial Technology Organization (NEDO).
Αξιοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία μικροηλεκτρομηχανικού συστήματος (MEMS) της Hamamatsu, οι προγραμματιστές επανασχεδίασαν πλήρως το περίβλημα περίθλασης MEMS της QCL, μειώνοντάς το στο 1/10 περίπου του μεγέθους των συμβατικών σχάρων. Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης έναν μικρό μαγνήτη που ήταν διατεταγμένος για να μειώσει τον περιττό χώρο και συναρμολόγησε με ακρίβεια τα άλλα εξαρτήματα με ακρίβεια έως 0,1 μm. Οι εξωτερικές διαστάσεις του QCL είναι 13 × 30 × 13 mm (W × D × H).

Τα QCL που σαρώνουν το μήκος κύματος χρησιμοποιούν πλέγμα περίθλασης MEMS που διασκορπίζει, αντανακλά και εκπέμπει φως μεσαίου υπέρυθρου ενώ μετατοπίζεται γρήγορα το μήκος κύματος. Το κυματοειδές QCL του Hamamatsu είναι συντονιστικό στην περιοχή μήκους κύματος από 7 έως 8 μm. Αυτό το εύρος απορροφάται εύκολα από τα αέρια SO2 και H2S που θεωρούνται πρώτοι προγνωστικοί παράγοντες μιας πιθανής ηφαιστειακής έκρηξης.

Για να επιτύχουν ένα ρυθμιζόμενο μήκος κύματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνολογία σχεδιασμού συσκευών που βασίζεται στο κβαντικό φαινόμενο. Για το στρώμα εκπομπής φωτός του στοιχείου QCL, χρησιμοποίησαν έναν σχεδιασμό διπλής άνω κατάστασης αντισταυρωμένου.

Όταν το QCL που σαρώνει το μήκος κύματος συνδυάζεται με το σύστημα μετάδοσης κίνησης που αναπτύχθηκε από την AIST, μπορεί να επιτύχει μια ταχύτητα σάρωσης μήκους κύματος που αποκτά ένα συνεχές φάσμα μεσαίου υπέρυθρου φωτός εντός 20 ms. Η γρήγορη απόκτηση του φάσματος από την QCL θα διευκολύνει τις αναλύσεις παροδικών φαινομένων που αλλάζουν γρήγορα με την πάροδο του χρόνου. Η φασματική ανάλυση του QCL είναι περίπου 15 nm και η μέγιστη αιχμή του είναι περίπου 150 mW.

Επί του παρόντος, οι περισσότεροι αναλυτές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση και τη μέτρηση των ηφαιστειακών αερίων σε πραγματικό χρόνο διαθέτουν ηλεκτροχημικούς αισθητήρες. Τα ηλεκτρόδια σε αυτούς τους αισθητήρες - και η απόδοση του αναλυτή - αλλοιώνονται γρήγορα, λόγω της συνεχούς έκθεσης σε τοξικό αέριο. Οι πλήρως οπτικοί αναλυτές αερίου χρησιμοποιούν πηγή φωτός μεγάλης διάρκειας ζωής και απαιτούν λιγότερη συντήρηση, αλλά η οπτική πηγή φωτός μπορεί να καταλάβει πολύ χώρο. Το μέγεθος αυτών των αναλυτών καθιστά δύσκολη την εγκατάσταση κοντά σε ηφαιστειακούς κρατήρες.

Το σύστημα παρακολούθησης ηφαιστειακού αερίου επόμενης γενιάς, εξοπλισμένο με το μικροσκοπικό QCL μήκους κύματος, θα παρέχει στους ηφαιστειολόγους μια πλήρως οπτική, συμπαγή, φορητή μονάδα που έχει υψηλή ευαισθησία και εύκολη συντήρηση. Οι ερευνητές στο Hamamatsu και οι συνεργάτες τους στο AIST και ο Οργανισμός Ανάπτυξης Νέας Ενέργειας και Βιομηχανικής Τεχνολογίας (NEDO), που υποστήριξαν το έργο, θα συνεχίσουν να ερευνούν τρόπους για να αυξήσουν την ευαισθησία του αναλυτή και να μειώσουν τη συντήρηση.

Η ομάδα σχεδιάζει παρατηρήσεις πολλαπλών σημείων για τη δοκιμή και την επίδειξη του φορητού αναλυτή. Προϊόντα που χρησιμοποιούν QCL και κυκλώματα μετάδοσης κίνησης σε μήκος κύματος μαζί με φωτοανιχνευτές Hamamatsu προγραμματίζονται να κυκλοφορήσουν το 2022.