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発表・掲載日:2017/08/23

「光コム」で気体の温度を測定

-気体分子の吸収スペクトルと温度との相関から算出-

ポイント

  • 光コム(超短光パルスレーザー)で、気体の温度を測定する新たな技術を開発
  • 2台の光コムを用いて気体分子の吸収スペクトルを測定し、±1 ℃以内の測定精度を実現
  • 燃焼中のガスの分子種ごとの温度変化の観測など、既存技術では困難な温度計測への応用に期待


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)物理計測標準研究部門【研究部門長 中村 安宏】 周波数計測研究グループ 清水 祐公子 主任研究員、稲場 肇 研究グループ長は、「光コム」と呼ばれる超短光パルスレーザーを2台用いて気体の温度を測定する新たな技術を開発した。

 光コムとは、スペクトルが等しい周波数間隔で櫛(コム:Comb)状に並んだ超短光パルスレーザーで、周波数間隔の正確さから、超高精度な周波数計測や長さ(波長)計測に利用されている。一方、気体分子は、分子種に固有の周波数の光を吸収し、その吸収量は気体分子の温度と相関がある。今回、2台の光コムを用いるデュアルコム分光技術を活用し、気体分子の吸収スペクトルを測定して、気体の温度を測定する新たな技術を開発した。

 本技術で、アセチレンガスの光吸収スペクトルを、1.5 µm を中心とした波長帯域で測定・解析した結果、±1 ℃以内の精度で温度を測定可能であることがわかった。この技術は、複数の分子種が混在する気体(混合気体)にも適用でき、例えば、燃焼中のガスの分子種ごとの温度変化を観測するなど、既存技術では困難な温度計測ができる技術としての応用が期待される。

 なお、この技術の詳細は、2017年8月24日に、京王プラザホテル(東京都新宿区)で開催される国際会議第24回国際光学委員会総会(ICO-24)で発表される。

「光コム」を用いた温度測定概念図
「光コム」を用いた温度測定の概念図


開発の社会的背景

 自動車のエンジンなどの内部では、燃料や空気、水蒸気などの複数種の気体が混在し、燃焼が進行していく。これらの気体の温度やその変化を測定できれば、詳細な燃焼メカニズムの解明が進み、燃費の向上に向けた技術開発への貢献が期待できる。現在、気体の温度測定には光ファイバー温度計や放射温度計などが使われているが、実用上は10 ℃程度の測定精度のものが多く、また、適用温度範囲に制約があるなどの課題があった。

研究の経緯

 産総研では、光コムを用いて、周波数や長さ(波長)の計量標準を確立して産業界へ標準の提供を行うとともに、光コムを活用した新たな計測技術の研究開発に取り組んでいる。特に、2台の光コム装置を、周波数をごくわずかにずらして干渉させて分光計測するデュアルコム分光技術は、産総研が世界に先駆けて広帯域化を実現しており、この技術によって気体の検出や同定に有効であることなどの成果を得ている(2015年7月9日 産総研プレスリリース)。

 今回、このデュアルコム分光技術を用いて、気体の温度を測定する技術の開発に取り組んだ。

 なお、この研究開発は、独立行政法人 日本学術振興会の科学研究費助成事業 基盤研究(C)「デュアルコム分光による非平衡混合気体の温度測定技術の開発」(平成28~30年度)による支援を受けて行った。

研究の内容

 気体分子は、その種類に固有の周波数(波長)の光を吸収する。さらに、その吸収量は温度と相関があることが知られている。そのため、気体分子が吸収した光の周波数や量を詳しく測定すれば、分子種の特定や、温度測定が可能となる。

 そこで今回、デュアルコム分光技術により、アセチレン分子の吸収スペクトルを、波長1.5 µm付近(周波数では、194 THzから198 THzの範囲)で測定した(図1)。この領域におけるアセチレン分子の吸収スペクトルは、図1に示すような、幅の狭い線状の吸収からなるが、デュアルコム分光技術を用いることで、これらの多数の吸収スペクトルを一度の測定で取得することができた。また、測定した吸収スペクトルから温度を求める際には、量子力学に基づいた理論式を用いて一括解析するという、新たに考案した解析手法を用いた。この解析により、アセチレン分子の温度は23 ℃と決定でき、解析による誤差は±1 ℃以内であった。図1(b)は、図1(a)左上部を拡大した図であり、参考のため、23 ℃から±1 ℃ずらして求めた理論曲線を青線で示してある。実測の結果である黒線の頂点は23 ℃の理論曲線(赤線)によく一致している。また、±1 ℃ずらした理論曲線(青線)の範囲内に入っていることからも±1 ℃の精度が確認できる。さらに、アセチレン分子が封入されたガラスセルの温度を抵抗温度計により測定したところ、23 ℃であり、これともよく一致している。

 これまでにも吸収分光による温度測定法は提案されてきたが、いずれも多くの吸収線を短時間で精度よく測定することが難しく、1本ないし2本の吸収線から温度を求めていた。吸収線は温度以外の要因の影響を受けやすく、その影響を取り除くことも困難であり、温度を高精度に決定することが難しかった。今回のデュアルコム分光技術による温度測定では、一度の測定で得た50本の吸収線の強度を用いて解析しているため、吸収量に与える温度以外の影響が低減され、温度測定の精度を向上させることができた。

(a)
室温付近のアセチレン気体分子の測定結果(黒)と解析結果(赤)の図
 
(b)
測定結果(黒)と23 ℃の理論曲線(赤)、23 ℃から±1 ℃ずらした理論曲線(青)の図
図1 (a) 室温付近のアセチレン気体分子の測定結果(黒)と解析結果(赤)
(b) 測定結果(黒)と23 ℃の理論曲線(赤)、23 ℃から±1 ℃ずらした理論曲線(青)
横軸の周波数196 THzが波長約1.53 µmに相当する。

 今回の温度測定で用いたデュアルコム分光技術は、1.0 µm ~1.9 µm(周波数では、約158 THz ~300 THz)という広い波長範囲を短時間に、高分解能で測定することが可能である。そのため、水(1.38 µm、1.87 µm付近)、二酸化炭素(1.44 µm付近など)、メタン(1.67 µm付近)、アセチレン(1.04 µm、1.52 µm付近)などの複数の気体の混合気体であっても、広い範囲に存在するそれぞれの気体分子の吸収スペクトルを、同時に高精度測定できる。それぞれを解析することで、従来技術では不可能であった燃焼ガス点火後の分子種ごとの温度やその変化などの観測もできると考えられる。

今後の予定

 今後は、混合ガスに含まれる複数種の気体分子の温度を同時に測定する実証実験に取り組む。また、装置の小型化や、データ取得・解析技術の改良を進め、産業現場でも使用できるリアルタイム温度測定システムとしての実用化を目指す。  



用語の説明

◆光コム
モード同期レーザーと呼ばれる超短光パルスレーザーなどから出力される、広い周波数(波長)範囲のくし状スペクトルを持つ光のこと(下図参照)。また、その光を発生させる装置のことも指す。この超短光パルスのスペクトルでは、細いスペクトル成分が規則正しく並んでいる。この形状が櫛(コム:Comb)に似ていることから「光コム」と呼ばれる。[参照元へ戻る]
「光コム」概念図
「光コム」の概念図
◆超短光パルスレーザー
1つのパルスの幅(時間幅)が数ピコ秒から数フェムト秒の非常に短いパルスレーザーのこと。[参照元へ戻る]
◆スペクトル
ここでは光の周波数ごとの強度分布のこと。[参照元へ戻る]
◆デュアルコム分光
パルス間隔がわずかに異なる2つの「光コム」を干渉させて、試料に吸収させる。干渉信号の時間変化を測定し、フーリエ変換して試料の吸収スペクトルを得る測定法。スペクトルの周波数精度が高く、また可動部分がないため高速化しやすい。[参照元へ戻る]


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