HAMAMATSU, Nhật Bản, ngày 25 tháng 8 năm 2021 - Hamamatsu Photonics và Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST) ở Tokyo đã hợp tác trên một hệ thống giám sát khí di động, toàn quang học để dự đoán các vụ phun trào núi lửa với độ nhạy cao. Ngoài việc cung cấp khả năng theo dõi ổn định, lâu dài các khí núi lửa gần miệng núi lửa, máy phân tích cầm tay cũng có thể được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí độc trong các nhà máy hóa chất và hệ thống cống rãnh cũng như cho các phép đo khí quyển.

Hệ thống chứa một tia laser thác lượng tử quét theo bước sóng thu nhỏ (QCL) do Hamamatsu phát triển. Với kích thước khoảng 1/150 so với các QCL trước đây, laser là QCL quét bước sóng nhỏ nhất thế giới. Hệ thống truyền động cho hệ thống giám sát khí, do AIST phát triển, sẽ cho phép gắn QCL nhỏ bé vào các máy phân tích di động, trọng lượng nhẹ, có thể mang đi bất cứ đâu.
QCL quét theo bước sóng nhỏ nhất thế giới chỉ bằng 1/150 kích thước của QCL quét theo bước sóng trước đó. Được sự cho phép của Hamamatsu Photonics KK và Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO).
Tận dụng công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) hiện có của Hamamatsu, các nhà phát triển đã thiết kế lại hoàn toàn cách tử nhiễu xạ MEMS của QCL, giảm kích thước của nó xuống khoảng 1/10 so với lưới thông thường. Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng một nam châm nhỏ được bố trí để giảm không gian không cần thiết và lắp ráp chính xác các thành phần khác với độ chính xác xuống đến đơn vị 0,1 μm. Kích thước bên ngoài của QCL là 13 × 30 × 13 mm (W × D × H).

QCL quét theo bước sóng sử dụng cách tử nhiễu xạ MEMS phân tán, phản xạ và phát ra ánh sáng trung hồng ngoại trong khi dịch chuyển nhanh bước sóng. QCL quét sóng của Hamamatsu có thể điều chỉnh được trong dải bước sóng từ 7 đến 8 μm. Phạm vi này được hấp thụ dễ dàng bởi các khí SO2 và H2S được coi là những yếu tố dự báo sớm về khả năng phun trào núi lửa.

Để đạt được bước sóng có thể điều chỉnh được, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ thiết kế thiết bị dựa trên hiệu ứng lượng tử. Đối với lớp phát sáng của phần tử QCL, họ đã sử dụng thiết kế trạng thái kép chống chéo.

Khi QCL quét theo bước sóng được kết hợp với hệ thống truyền động do AIST phát triển, nó có thể đạt được tốc độ quét theo bước sóng thu được phổ ánh sáng hồng ngoại trung liên liên tục trong vòng 20 ms. Việc thu nhận phổ tốc độ cao của QCL sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích các hiện tượng thoáng qua thay đổi nhanh chóng theo thời gian. Độ phân giải phổ của QCL là khoảng 15 nm và công suất cực đại của nó là khoảng 150 mW.

Hiện nay, hầu hết các máy phân tích được sử dụng để phát hiện và đo khí núi lửa trong thời gian thực đều có cảm biến điện hóa. Các điện cực trong các cảm biến này - và hiệu suất của máy phân tích - nhanh chóng bị suy giảm do tiếp xúc liên tục với khí độc. Máy phân tích khí toàn phần quang học sử dụng nguồn sáng có tuổi thọ cao và ít cần bảo trì hơn, nhưng nguồn sáng quang học có thể chiếm nhiều không gian. Kích thước của những thiết bị phân tích này khiến chúng khó lắp đặt gần miệng núi lửa.

Hệ thống giám sát khí núi lửa thế hệ tiếp theo, được trang bị QCL quét bước sóng cực nhỏ, sẽ cung cấp cho các nhà núi lửa một thiết bị di động, nhỏ gọn, toàn quang học, có độ nhạy cao và dễ bảo trì. Các nhà nghiên cứu tại Hamamatsu và các đồng nghiệp của họ tại AIST và Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO), tổ chức hỗ trợ dự án, sẽ tiếp tục nghiên cứu các cách để tăng độ nhạy của máy phân tích và giảm bảo trì.

Nhóm đang lên kế hoạch quan sát đa điểm để kiểm tra và chứng minh máy phân tích cầm tay. Các sản phẩm sử dụng QCL quét theo bước sóng và mạch truyền động cùng với bộ tách sóng quang Hamamatsu được lên kế hoạch phát hành vào năm 2022.