HAMAMATSU, Giappone, 25 agosto 2021 — Hamamatsu Photonics e il National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) di Tokyo hanno collaborato a un sistema di monitoraggio del gas portatile e completamente ottico per prevedere le eruzioni vulcaniche con un alto grado di sensibilità. Oltre a fornire un monitoraggio stabile ea lungo termine dei gas vulcanici vicino ai crateri vulcanici, l'analizzatore portatile potrebbe essere utilizzato anche per rilevare fughe di gas tossici negli impianti chimici e nelle fognature e per misurazioni atmosferiche.

Il sistema contiene un laser a cascata quantica (QCL) miniaturizzato e con scansione di lunghezza d'onda sviluppato da Hamamatsu. Con circa 1/150 della dimensione dei QCL precedenti, il laser è il QCL con scansione di lunghezza d'onda più piccolo al mondo. Il sistema di azionamento per il sistema di monitoraggio del gas, sviluppato dall'AIST, consentirà di montare il minuscolo QCL in analizzatori portatili e leggeri che possono essere trasportati ovunque.
Il QCL con scansione in lunghezza d'onda più piccolo del mondo è solo 1/150esimo delle dimensioni dei precedenti QCL con scansione in lunghezza d'onda. Per gentile concessione di Hamamatsu Photonics KK e New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
Sfruttando la tecnologia esistente del sistema microelettromeccanico (MEMS) di Hamamatsu, gli sviluppatori hanno completamente ridisegnato il reticolo di diffrazione MEMS del QCL, riducendolo a circa 1/10 delle dimensioni dei reticoli convenzionali. Il team ha anche impiegato un piccolo magnete predisposto per ridurre lo spazio non necessario e ha assemblato con precisione gli altri componenti con una precisione fino a unità di 0,1 μm. Le dimensioni esterne del QCL sono 13 × 30 × 13 mm (L × P × A).

I QCL con scansione della lunghezza d'onda utilizzano un reticolo di diffrazione MEMS che disperde, riflette ed emette luce nel medio infrarosso spostando rapidamente la lunghezza d'onda. Il QCL scandito dalle onde di Hamamatsu è sintonizzabile nella gamma di lunghezze d'onda da 7 a 8 μm. Questa gamma viene assorbita facilmente dai gas SO2 e H2S che sono considerati i primi predittori di una possibile eruzione vulcanica.

Per ottenere una lunghezza d'onda sintonizzabile, i ricercatori hanno utilizzato una tecnologia di progettazione del dispositivo basata sull'effetto quantistico. Per lo strato di emissione della luce dell'elemento QCL, hanno utilizzato un design a doppio stato superiore anti-incrociato.

Quando il QCL con scansione della lunghezza d'onda è combinato con il sistema di azionamento sviluppato da AIST, può raggiungere una velocità di scansione della lunghezza d'onda che acquisisce uno spettro di luce nel medio infrarosso continuo entro 20 ms. L'acquisizione ad alta velocità dello spettro da parte del QCL faciliterà l'analisi dei fenomeni transitori che cambiano rapidamente nel tempo. La risoluzione spettrale del QCL è di circa 15 nm e la sua uscita di picco massima è di circa 150 mW.

Attualmente, la maggior parte degli analizzatori utilizzati per rilevare e misurare i gas vulcanici in tempo reale dispone di sensori elettrochimici. Gli elettrodi di questi sensori, e le prestazioni dell'analizzatore, si deteriorano rapidamente, a causa della costante esposizione a gas tossici. Gli analizzatori di gas completamente ottici utilizzano una sorgente luminosa a lunga durata e richiedono meno manutenzione, ma la sorgente luminosa ottica può occupare molto spazio. Le dimensioni di questi analizzatori li rendono difficili da installare vicino a crateri vulcanici.

Il sistema di monitoraggio del gas vulcanico di nuova generazione, dotato del minuscolo QCL a scansione di lunghezza d'onda, fornirà ai vulcanologi un'unità completamente ottica, compatta e portatile che ha un'elevata sensibilità e una facile manutenzione. I ricercatori di Hamamatsu ei loro colleghi dell'AIST e della New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), che hanno sostenuto il progetto, continueranno a studiare modi per aumentare la sensibilità dell'analizzatore e ridurre la manutenzione.

Il team sta pianificando osservazioni multipunto per testare e dimostrare l'analizzatore portatile. I prodotti che utilizzano il QCL con scansione della lunghezza d'onda e i circuiti di pilotaggio insieme ai fotorilevatori Hamamatsu sono previsti per il rilascio nel 2022.