一种新的传感器可以预测火山爆发

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火山爆发可能是快速、致命和破坏性的。这就是为什么在预测它们时，每一点数据都很重要（https://spectrum.ieee.org/robot-teams-practice-for-japan-volcano-monitoring）。

总部位于瑞士Bad Ragaz的传感公司INFICON开发了第一个能够承受恶劣火山环境的便携式氦传感器。他们已经部署了它来监测意大利的两个火山岛Vulcano和Stromboli。希望这种现场实时监测可以在火山爆发成为灾难之前进行预测。

当岩浆接近地表或构造板块移动时，地面中的氦含量会增加。以前，科学家们会从火山中采集气体样本，并将其送往实验室进行测试，从而每隔几周进行一次测量。但INFICON的工程师Josef Grenz表示，新的传感器是便携式的，可以每20秒进行一次测量。如果你想在现场快速测量氦气，“除了我们的传感器，没有其他选择，”Grenz说。

它们被称为“He Man”传感器，包括两个部分：一个只能渗透氦气的薄膜，以及一个电离氦原子并进行压力测量的真空室。

在源头对火山氦进行取样

首先，当氦原子穿过仅对该元素可渗透的膜时，它们会被挑出来。该膜由硅芯片上的一层非常薄的玻璃制成，硅芯片上蚀刻有微米大小的孔。玻璃已经允许氦气通过，但玻璃越薄，氦气通过的速度就越快。He Man传感器的玻璃层只有6.5微米厚，大约是人类头发厚度的十分之一。在制造过程中需要硅层来支撑极薄的玻璃。

氦原子穿过膜后，到达真空室。这个真空室包含一个彭宁陷阱（Penning Trap），这是一种电磁装置，利用电场和磁场将它们困在一个圆圈里。原子以圆形模式振荡，并被陷阱电离。一旦它们被电离，电荷就会被加速到电荷收集板上，该板测量真空室内的压力，检测氦的含量。

Grenz说，这种技术设置大约有20年的历史，但直到最近，它仍然局限于实验室或作为更大的多组件设备的一部分。它需要通过施加恒定流量的已知氦气浓度来校准参考点，以评估传感器的灵敏度。如果不测量该参考点，传感器随时间的微小变化将导致系统输出错误。

INFICON工程师找到了一种在缩小的系统中进行这种比较的方法。知道玻璃膜的渗透性与温度有关，他们设计了He Man在两个不同的温度值下进行两次测量。通过比较这些值，他们可以通过算法找到参考点，而不必直接测量它。

“我们现在能够制造出这样一个小系统……大约有鞋盒那么大，”Grenz说，“在此之前，你必须使用的是一个更大、更昂贵的系统。”

另一种氦传感器

INFICON的创新并不是唯一正在开发的新型氦传感器。内布拉斯加州大学的一个小组最近发明了一种基于微机电（MEMS）设备的氦传感器。内布拉斯加大学建筑工程教授Fadi Alsaleem解释说，他们的设计依赖于氦气的导热率低于空气的事实，因此“如果氦气存在，它将比空气更快地冷却MEMS的温度”。

Alsaleem和他的团队创造了一种根据温度变形的结构，因此在氦气存在的情况下变形较小。该结构就像传感器中的开关。他说：“如果有空气，开关就会打开。如果有氦气，开关就会关闭。就是如此简单。”传感器必须调整到特定水平的氦气才能检测到它，因为它传输的是二进制值。Alsaleem的团队在8月份的《IEEE传感器杂志》上报道了他们的研究（https://ieeexplore.ieee.org/document/10659375）。

Alsaleem预计MEMS传感器将用于检测核废料储存中的泄漏。

相比之下，INFICON专注于开发他们的He Man传感器来探测火山爆发和其他自然灾害。Grenz说，氦含量的增加也可能是地震的早期预警信号，在保证人口安全时，每个指标都很重要。