1

البحث ذو التوجه الصناعي باستخدام الليزر

في جامعة الملك فهد للبترول و المعادن

Industry Oriented Laser Research at KFUPM

د. زين يماني، د. أشرف جوندال، د. عزت حجازي، د. حسين مسعودي

Z. H. Yamani1, M.A. Gondal2, E. Hegazi2 and H.M Masoudi2,3

المعادن و للبترول فهد الملك جامعة

King Fahd University of Petroleum & Minerals

1Department of Physics,2Laser Research Section, Center for Applied Physical Sciences,3Electrical Engineering Department

2

Presentation Plan

• What is LRS?

• Industrial Research at LRS:

– In progress

– Pending

• Complications and Challenges

• Conclusions

خطة المحاضرة أبحاث • قسم هو ما

الليزر

في • الصناعي البحث: الليزر أبحاث قسم

الحالي•المستقبل•

التحديات • و العقبات

خاتمة •

3

التطبيقية الطبيعية العلوم مركزCenter for Applied Physical Sciences

(CAPS)

4

CAPS

األبحاث قسماألساسية

التطبيقية وBasic

and AppliedResearchSection

أبحاث قسمالليزر

LaserResearchSection(LRS)

المعاملالتحليلية المركزية

CentralAnalyticalLaboratory

المواصفات قسمالمقاييس و

Metrologyand Standards

Section

األجهزة و الوحداتUnits andEquipment

المساندون الموظفون و الباحثونResearchers and

Support Staff

متفرغونFull-time

متفرغين غيرPart-time

5

Mission:

Provide KFUPM and the Kingdom with high quality research, research services, and training in the field of lasers and their applications

: ( الليزر ( أبحاث قسم رسالة مهمة

لجامعة و عموما للوطن المستوي عالي بحثي أداء تقديمباإلضافة الخصوص وجه على المعادن و للبترول فهد الملك

و الليزر مجال في التدريب و البحثية الخدمات إلىتطبيقاته.

6

LRS functions

• Research using laser technology • Technical and educational services

• Training of graduate and undergraduate students

الوظائف األساسية

أبحاث لقسمالليزر

• ( العلمي ( البحث

باستخدام

الليزر تكنولوجيا

الخدمات • تقديم

الفنية و التعليمية

طلبة • تدريب

و ( العليا الدراسات

على) البكلريوس

الليزر تكنولوجيا

7

Brief history of LRS with the Industry

• Administrative mandate

• Planning

• Investigating the market needs

• Major proponents: SABIC, Saudi Aramco, SCECO (SEC)…etc.

• Meetings

• Proposed experiments

لعالقة مختصرة تاريخية نبذةالصناعة مع الليزر أبحاث قسم

اإلداري • القرار

التخطيط•

حاجات • استكشافالصناعي السوق

• : المرشحين أبرزسابك، أرامكو،

الكهرباء ... شركةالخ.

و • اللقاءاتاالجتماعات

المقترحة • التجارب

8

أبحاث بقسم المتعلقة األمثلة بعضالتوجه ذات البحوث و الليزر

الصناعي

Examples of industry related LRS research

9

البترولية المنتجات بصمةIndustry and Laser #1

Oil Fingerprinting (spectroscopy)

• The problem: oil dumping in the sea

• The need: know which ship dumps the oil

• The solution :fingerprint oils using remote sensing technique (US patent # 6,633,043)

Spectral Fingerprints of neat Saudi Marketed Crude Oils Using the

Patented Technique

- 5 0 5 1 0

S uper L igh t E xtra L ight L ight M edium H eavy

T im e (ns)

300

350

400

450

500W

avel

engt

h (n

m)

1 5T im e (ns) T im e (ns) T im e (ns) T im e (ns)

-0 .2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0

: المعضلة •غير التخلص

من النظاميفي البترول

الخليج

• : الحاجة السفن تحديد

المتسببة

• : الحل من الكشف

عن بعدالبصمة

و البتروليةبراءة

االختراع

10

SignalProcessor

YAG Laser Dye Laser

Doubling Crystal

1062nm 532nm 560nm

Doubling Crystal

Crude OilSample

CollectingLens

ResultingFluorescence

PC

Monochromator

Photomultiplier

Mirror

Mirror

Trigger

Signal

280 nm

البترولية المواد بصمات عن الكشف لتجربة توضيحي رسمSchematic diagram of the setup

11

-50 0 50 100 150Tim e (ns) * 10

300

350

400

450

500

Wav

elen

gth

(nm

)

-50 0 50 100 150Tim e (ns) * 10

300

350

400

450

500

Wav

elen

gth

(nm

)

(a1) (b1) (c1)

(a2) (b2) (c2)

Arabian Extra Light Crude Oil

Arabian LightCrude Oil

12

Project supported by S. ARAMCO

• S. Aramco R&D

• Deliberations

• Contract (2 years)

• Implementation of project (build fingerprint database of oils + build a finished product)

• Progress (Phase 1)

- 5 0 5 1 0

S uper L ight E xtra L ight L ight M edium H eavy

1 5Tim e (ns)

300

350

400

450

500

Wav

elen

gth

(nm

)

T im e (ns) T im e (ns) T im e(ns) T im e (ns)

-0 .2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.0

Next generation of the technique: enhanced fingerprints for weathered oils

Fingerprints of the same crude oils after seawater weathering

- 5 0 5 1 0

Tim e (ns)

300

350

400

450

500

Wav

elen

gth

(nm

)

- 5 0 5 1 0

Tim e (ns)

- 5 0 5 1 0

Tim e (ns)

- 5 0 5 1 0

Tim e (ns)

-0 .2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8

VI = 116 VI = 110 VI = 106 VI = 97

في • التطوير و البحوثأرامكو

التفاوض ••( سنتين ( المشروع عقدالمطلوب •متقدمة • أطوار

13

الرقيقة الشرائحIndustry and Laser #2Thin Films (sensors)

• Thin films gas sensors

• energy saving applications

• thin films thermal switches

• optics

الغاز • كاشفات

الطاقة • حفظ

الحرارية المحوالت•

البصريات•

14

الطاقة حفظEnergy Saving Applications

التطبيق؟؟

Application

15

و هيدروكربونية مواد إلى الميثان تحويلالهيدروجين انتاج

Industry and Laser #3Photoinduced Chemistry/ Methane Cracking

• The problem: methane utilization and transportation; hydrogen production

• The need: transform methane into ethane and higher hydrocarbons plus hydrogen

• The solution: Laser induced photo- conversion of methane (U.S. Patent Application No. 10653,055

• : تخزين صعوبة المعضلةموارد قلة الميثان، نقل و

الهيدروجين غاز

• : الميثان تحويل الحاجةو إيثان و هيدروجين إلى

. أخرى هيدروكربونية مواد

• : استحداث الحل - ضوئية ااكيميائي الفاعالت

لتكسير الليزر باستخدامبراءة طلب و الميثان

رقم )10653,055االختراع

16

التطبيق؟؟

Application

4000 5000 6000 7000 8000W avelength (A)

Rel

ativ

e In

tens

ity

SRS

SRS

SRS

SRS

SRS

CH 2

HH 2

CH

17

البيئي التلوث مراقبةIndustry and Laser #4

Atmospheric pollution monitoring (LIDAR)

The problem:

Remote

monitoring of

industrial

pollution and

green house gases

(NOx, SOx, COx,

and O3) in the

atmosphere. Lidar monitoring of atmosphere at KFUPM

تقنية تستخدمفي الليزر

أبحاث قسملمراقبة الليزر

و سماكةحركة

السحب، إلى باإلضافة

امكانية تركيز مراقبة

الغازات الضارة

من المنبعثةمداخن المصانع

18

التقنية هذه عمل فكرةPrinciple of laser remote sensing

19

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

18:21

18:30

18:34

18:37

18:41

18:46

18:50

18:55

18:59

19:06

19:12

19:16

19:24

19:30

19:34

19:37

19:40

Time (Saudi Standard Time)

Clo

ud T

hick

ness

(km

)

Cloud thickness measured with LIDAR system at different times.

20

Velocity comparison between calculated Doppler shift and actual flow rate measurement speeds with

our Doppler LIDAR.

Typical aerosols backscattering coefficient determined from LIDAR data

showing clearly the boundary layer.

21

لكن و أخرى، عديدة أمثلة هناكالعقبات إلى لننتقل

The are a number of other examples, but let’s move on to the challenges

22

و العقباتالتحديات

Complications and Challenges

• Few new personnel/ graduate students

• Companies need full systems not mere inventions; the final product!

• Using laser is ~ sophisticated; in general the Local Industry is not that advanced in R&D.

•Financial restrictions/ no equipment

• Others are way ahead and much more dedicated.

• Laser technology may not solve everything.

• / طلبة الكوادر قلةالعليا الدراسات

أجهزة • تطلب الشركاتمتكاملة

في • الصناعة بالعمومفي متقدمة غير المملكةالتطوير و البحث مجاالت

الشركات( بعض ذلك في بما(“ العظمى”

المالية • الموارد

البحوث • معاهد و الشركاتالخ ... ألمانيا و اليابان في

! كبير بشكل متقدمة

كل • تحل ال الليزر تقنيةالمشكالت

23

Conclusions

• Physics research has to find links/ ties with Industry. It is part of our survival, and a benefit to humanity.

• Lasers have the potential. We presented a few industrial applications.

• LRS is in progress, despite the difficulties.

• The future??

• We welcome ideas and collaborations

الخاتمة

عن • نبحث أن علينا ينبغيالبحث بين التداخل سبل

و الفيزياء مجال في العلمي. الصناعي التطوير

القدرة • لها الليزر تكنولوجيا. المجال هذا في لإلسهام

قسم ( • في قطعنا لقد ( هذا في � شوطا الليزر أبحاث

المضمار.

السنوات • خالل نتوقع ماذاالقادمة؟

و • بنصائحكم نرحب إننامشاركاتكم.

24

Acknowledgement:

The support of KFUPM is thankfully acknowledge. We extend our thanks and appreciation to our colleagues in LRS.

نشكر جامعة الملك فهد للبترول و المعادن على دعمها للبحث العلمي األساسي و التطبيقي و الشكر موصول

.لجميع زمالئنا بقسم أبحاث الليزر

عرفان و :شكر

� أخيرا و أوال لله الحمد و

Praise is indeed due to Allah