HAMAMATSU, Japonya, 25 Ağustos 2021 — Hamamatsu Photonics ve Tokyo'daki Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST), volkanik patlamaları yüksek hassasiyetle tahmin etmek için tamamen optik, taşınabilir bir gaz izleme sistemi üzerinde işbirliği yaptı. Volkanik kraterlerin yakınındaki volkanik gazların istikrarlı, uzun vadeli izlenmesine ek olarak, taşınabilir analizör kimyasal tesislerde ve kanalizasyonlarda toksik gaz sızıntılarını tespit etmek ve atmosferik ölçümler için de kullanılabilir.

Sistem, Hamamatsu tarafından geliştirilen minyatür, dalga boyu süpürmeli kuantum kaskad lazeri (QCL) içerir. Önceki QCL'lerin yaklaşık 1/150'si boyutunda olan lazer, dünyanın en küçük dalga boyuna sahip QCL'sidir. AIST tarafından geliştirilen gaz izleme sistemi için tahrik sistemi, küçük QCL'nin her yere taşınabilen hafif, taşınabilir analizörlere monte edilmesini sağlayacak.
Dünyanın en küçük dalga boyu ile taranan QCL'si, önceki dalga boyu tarafından taranan QCL'lerin boyutunun yalnızca 1/150'si kadardır. Hamamatsu Photonics KK ve Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Örgütü'nün (NEDO) izniyle.
Hamamatsu'nun mevcut mikroelektromekanik sistem (MEMS) teknolojisinden yararlanan geliştiriciler, QCL'nin MEMS kırınım ızgarasını tamamen yeniden tasarlayarak geleneksel ızgaraların boyutunun yaklaşık 1/10'u kadar küçülttüler. Ekip ayrıca gereksiz alanı azaltmak için düzenlenmiş küçük bir mıknatıs kullandı ve diğer bileşenleri 0,1 μm'lik birimlere kadar hassasiyetle hassas bir şekilde monte etti. QCL'nin dış boyutları 13 × 30 × 13 mm'dir (G × D × Y).

Dalga boyu süpürme QCL'ler, dalga boyunu hızla değiştirirken orta kızılötesi ışığı dağıtan, yansıtan ve yayan bir MEMS kırınım ızgarası kullanır. Hamamatsu'nun dalga süpürmeli QCL'si 7 ila 8 μm dalga boyu aralığında ayarlanabilir. Bu aralık, olası bir volkanik patlamanın erken habercisi olarak kabul edilen SO2 ve H2S gazları tarafından kolayca emilir.

Ayarlanabilir bir dalga boyu elde etmek için araştırmacılar, kuantum etkisine dayanan bir cihaz tasarım teknolojisi kullandılar. QCL öğesinin ışık yayan katmanı için çapraz geçişe karşı çift üst durum tasarımı kullandılar.

Dalga boyu süpürme QCL, AIST tarafından geliştirilen sürücü sistemi ile birleştirildiğinde, 20 ms içinde sürekli bir orta kızılötesi ışık spektrumu elde eden bir dalga boyu süpürme hızına ulaşabilir. QCL'nin spektrumun yüksek hızlı edinimi, zaman içinde hızla değişen geçici olayların analizlerini kolaylaştıracaktır. QCL'nin spektral çözünürlüğü yaklaşık 15 nm'dir ve maksimum tepe çıkışı yaklaşık 150 mW'dir.

Şu anda, volkanik gazları gerçek zamanlı olarak tespit etmek ve ölçmek için kullanılan çoğu analiz cihazı, elektrokimyasal sensörlere sahiptir. Bu sensörlerdeki elektrotlar - ve analizörün performansı - sürekli zehirli gaza maruz kalması nedeniyle hızla bozulur. Tamamen optik gaz analizörleri, uzun ömürlü bir ışık kaynağı kullanır ve daha az bakım gerektirir, ancak optik ışık kaynağı çok fazla yer kaplayabilir. Bu analizörlerin boyutları, volkanik kraterlerin yakınına kurulmalarını zorlaştırıyor.

Dalga boyu süpürülen küçük QCL ile donatılmış yeni nesil volkanik gaz izleme sistemi, volkanologlara yüksek hassasiyete ve kolay bakıma sahip tamamen optik, kompakt, taşınabilir bir ünite sağlayacaktır. Hamamatsu'daki araştırmacılar ve AIST'deki meslektaşları ve projeyi destekleyen Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Organizasyonu (NEDO), analizörün hassasiyetini artırmanın ve bakımı azaltmanın yollarını araştırmaya devam edecek.

Ekip, taşınabilir analizörü test etmek ve göstermek için çok noktalı gözlemler planlıyor. Dalgaboyu süpürmeli QCL ve sürücü devrelerini Hamamatsu fotodetektörlerle birlikte kullanan ürünlerin 2022'de piyasaya sürülmesi planlanıyor.