HAMAMATSU, Japāna, 2021. gada 25. augusts-Hamamatsu Photonics un Nacionālais progresīvās rūpniecības zinātnes un tehnoloģijas institūts (AIST) Tokijā sadarbojās, izveidojot pilnīgi optisku, pārnēsājamu gāzes monitoringa sistēmu, lai paredzētu vulkānu izvirdumus ar augstu jutības pakāpi. Pārnēsājamo analizatoru var nodrošināt ne tikai stabilu, ilgstošu vulkānisko gāzu monitoringu vulkānisko krāteru tuvumā, bet arī izmantot, lai atklātu toksisku gāzu noplūdi ķīmiskajās rūpnīcās un kanalizācijā, kā arī atmosfēras mērījumiem.

Sistēmā ir miniaturizēts, viļņu garuma aptverts kvantu kaskādes lāzers (QCL), ko izstrādājis Hamamatsu. Aptuveni 1/150 daļa no iepriekšējiem QCL, lāzers ir pasaulē mazākais viļņu garuma skartais QCL. AIST izstrādātā gāzes uzraudzības sistēmas piedziņas sistēma ļaus niecīgo QCL uzstādīt vieglos, pārnēsājamos analizatoros, kurus var pārnēsāt jebkur.
Pasaulē mazākais viļņu garuma aptvertais QCL ir tikai 1/150 daļa no iepriekšējiem viļņu garuma aptvertajiem QCL. Pieklājīgi no Hamamatsu Photonics KK un Jaunās enerģētikas un rūpniecības tehnoloģiju attīstības organizācijas (NEDO).
Izmantojot Hamamatsu esošo mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS) tehnoloģiju, izstrādātāji pilnībā pārveidoja QCL MEMS difrakcijas režģi, samazinot to līdz aptuveni 1/10 no parasto režģu izmēra. Komanda izmantoja arī nelielu magnētu, kas bija sakārtots, lai samazinātu nevajadzīgo vietu, un precīzi samontēja pārējās sastāvdaļas ar precizitāti līdz 0,1 μm. QCL ārējie izmēri ir 13 × 30 × 13 mm (W × D × H).

Viļņu garuma aptvertie QCL izmanto MEMS difrakcijas režģi, kas izkliedē, atstaro un izstaro vidējās infrasarkanās gaismas, vienlaikus strauji mainot viļņa garumu. Hamamatsu viļņu pārņemtais QCL ir noskaņojams viļņu garuma diapazonā no 7 līdz 8 μm. Šo diapazonu viegli absorbē SO2 un H2S gāzes, kuras tiek uzskatītas par iespējamā vulkāna izvirduma agrīnajiem prognozētājiem.

Lai sasniegtu pielāgojamu viļņa garumu, pētnieki izmantoja ierīces projektēšanas tehnoloģiju, kuras pamatā ir kvantu efekts. QCL elementa gaismu izstarojošajam slānim viņi izmantoja pretšķērsotu divu augšējo stāvokļu dizainu.

Kad viļņu garuma aptvertais QCL tiek apvienots ar piedziņas sistēmu, ko izstrādājusi AIST, tā var sasniegt viļņa garuma slaucīšanas ātrumu, kas 20 ms laikā iegūst nepārtrauktu vidējās infrasarkanās gaismas spektru. QCL ātrgaitas spektra iegūšana atvieglos īslaicīgu parādību analīzi, kas laika gaitā strauji mainās. QCL spektrālā izšķirtspēja ir aptuveni 15 nm, un tā maksimālā maksimālā jauda ir aptuveni 150 mW.

Pašlaik lielākajai daļai analizatoru, ko izmanto vulkānisko gāzu noteikšanai un mērīšanai reālā laikā, ir elektroķīmiskie sensori. Elektrodi šajos sensoros - un analizatora veiktspēja - ātri pasliktinās, jo pastāvīgi tiek pakļauti toksiskām gāzēm. Pilnībā optiskie gāzes analizatori izmanto ilgu kalpošanas laiku un prasa mazāku apkopi, taču optiskais gaismas avots var aizņemt daudz vietas. Šo analizatoru izmēri apgrūtina to uzstādīšanu vulkānisko krāteru tuvumā.

Jaunās paaudzes vulkānisko gāzu uzraudzības sistēma, kas aprīkota ar niecīgu viļņu garuma aptvertu QCL, nodrošinās vulkanologiem pilnīgi optisku, kompaktu, pārnēsājamu ierīci, kurai ir augsta jutība un viegla apkope. Pētnieki Hamamatsu un viņu kolēģi AIST un Jaunās enerģētikas un rūpniecības tehnoloģiju attīstības organizācijā (NEDO), kas atbalstīja projektu, turpinās pētīt veidus, kā palielināt analizatora jutību un samazināt apkopi.

Komanda plāno daudzpunktu novērojumus, lai pārbaudītu un demonstrētu pārnēsājamo analizatoru. Produktus, kas izmanto viļņu garuma aptvertu QCL un piedziņas shēmas kopā ar Hamamatsu fotodetektoriem, plānots izlaist 2022. gadā.