| Project/Area Number |
23K22767
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| Project/Area Number (Other) |
22H01497 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
岡崎 慎司 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (50293171)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笠井 尚哉 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20361868)
荒川 太郎 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (40293170)
西島 喜明 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60581452)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
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| Keywords | 光ファイバ / 分布型センサ / 光時間領域反射率測定 / 漏れ光 / 化学センサ |
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| Outline of Research at the Start |
低炭素社会構築に向けた安全な水素エネルギーシステムを確立するため、液体水素タンクをはじめとする水素インフラの高度な維持管理技術の一つとして水素センシングが極めて重要である。本研究では、既存のスポット型センサでは実現することが困難な空間的に広い範囲を容易かつ低コストでモニタリング可能な高信頼性水素漏洩監視システムを、長尺の線状光源を用いた新しいライン型光ファイバ水素センサデバイスにより実現する。具体的には、市販ライトストリング等と伝送用光ファイバを水素感応物質である白金担持酸化タングステン膜と光学接合することで統合化した独自構造のデバイスを構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き、水素感応部の水素応答特性および光学的特性の評価を進めた。200/230μmのシリカコア/プラスチッククラッドファイバを用い、クラッドを有機溶剤により除去してコアが露出した領域に水素感応膜を固定化した。水素感応膜には、水素応答後の空気中の復帰速度を改善した白金担持酸化タングステンにシリカを導入した膜をゾル-ゲル法を用いて固定化した。作製したセンサデバイスをガスチャンバー内に設置して、水素ガスに曝露した結果、応答が遅く、感度も大きくなかった。原因究明のために、センサ部を顕微分光膜厚計で直接測定したところ、光学定数を用いたフィッティング結果は良好で、局所的な膜厚を定量的に推定することができた。そこで、任意の5か所の膜厚を測定したところ、水素感応膜が均一に形成されておらず、膜厚の周期的ばらつきが非常に大きいことが分かった。さらに、厚膜部では、層間剥離、亀裂などの損傷も観察された。 そこで、シリカウールに前駆体溶液を含浸させた後に、このウールを用いてブラシコーティング法により、溶液をコア面全体に均一に広げる方法で製膜を行った。その結果、水素感応膜を光ファイバーコアの外面の周りに均一に固定化することに成功した。次に、感度の波長依存性を評価するために近赤外2波長で水素応答性を調べた。その結果、光源波長が1300 nmの場合の応答速度は非常に速く、850 nmの場合の2倍であった。その理由は、エバネッセント波の浸透深さの違いに密接に関連していることが示唆された。すなわち1300nmの浸透深さは850nmの浸透深さよりも大きいと推定できるため、感応膜の外表面近傍の光学特性の変化はより迅速かつ高感度に応答に反映されるものと考えられる。一方、850nmの場合、コアと水素感応膜界面付近の変化が強く反射されるため、ガスの膜内拡散過程が応答の遅延をもたらすことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
近赤外領域で機能する光ファイバ線状光源を実現するために、コアのみ光ファイバを用いる方法以外にもシリコン基板に導波路を形成した構造の平面光回路を用いる手法も検討を行い、均一な漏れ発光を得る方法として多面的な検討を行うことができた。水素応答に関する濃度依存性などの評価も順調に進んでいる。当該成果は学術論文としてもアクセプトされ、関連する国際・国内学会での成果発表も行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
光ファイバクラッドを除去したコアのみの光ファイバおよび平面光回路を用いて、引き続き高屈折率光学材料をゾルゲル法で塗布することで線状の漏れ光を得る手法について検討を進める。また、OTDRを用いた後方散乱光測定も進め、分布型光ファイバ水素センサを実現するための課題抽出を行う。また、学会発表や論文投稿は引き続き積極的に進める。
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