2016 Fiscal Year Research-status Report
共鳴格子による広範囲・高感度・高速検知可能な光学式水素センサー
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15K04638
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
水谷 彰夫 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (50400700)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 水素センサ / 共鳴波長測定 / 位相差測定 / グースヘンシェンシフト / 共鳴格子 / プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
将来の水素エネルギー社会に向けた燃料電池や水素発電の高効率化と安全性確保のために，水素濃度を広範囲で高感度・高速で検知できるパラジウム膜上共鳴格子型光学式センサの開発を目的とする．
金属膜上共鳴格子では，特定の波長・入射角において反射率が急激に下がる共鳴反射が生じる．金属部分のパラジウムが水素を吸収すると，その濃度に応じた屈折率変化によって，共鳴の生じる波長や角度がシフトする，あるいは反射光の位相差が大きく変化する．特に，共鳴角度シフトや位相差を検出する方式で水素濃度センサシステムが試作されたが，回転機構が必要であり，計測に時間を要していた．
そこで，共鳴波長検出法として，光ファイバを用いて共鳴格子からの反射スペクトルを分光器で捉え，共鳴波長シフトから水素濃度を検出するセンサシステムを開発した．試作センサは，S偏光を垂直入射したとき，水素濃度分解能が0.13%，計測時間が0.1秒であることを実証した．また，1%未満と4%以上の水素濃度で，パラジウムの屈折率変化が小さくなり，感度が悪くなった． 広範囲で高感度化するには，別の水素検知膜が必要である．
ラジアル偏光と呼ばれる中心から放射状に電場が振動する光を入射し，共鳴格子からの反射光の強度分布をカメラで計測し，位相差をワンショットで算出する研究については，ラジアル偏光を発生させ，強度分布がドーナツ形状になるところまで確認できたが，そのあとの画像取得からの位相差算出の検証は未達成である．
また，位相差に基づく反射光の位置ズレ，つまりグースヘンシェンシフトを測定する実験については，簡単のために，金膜を蒸着した三角プリズムのP偏光（参照光）とS偏光（共鳴光）の反射ビームの位置ズレの差を，位置検出素子を利用して測定した．屈折率の異なる液体を金膜上に滴下したとき，ビームの位置ズレの差が変化することは確認できたが，定量的な評価には至っていない．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
全体の測定法に共通して，密閉容器，水素ボンベと窒素ボンベ，流量計により，水素濃度をコントロールできるようになったので，水素濃度に対する定量的な評価ができるようになった．
波長検出法については，上記ガス混合システムにより，水素濃度変化によるセンサの時間応答も測定できたので，ほぼ計画どおりの成果が得られた．
また，ラジアル偏光入射によるワンショット位相差測定については，画像取得からの位相差算出の検証は未達成であるため，やや遅れている．
グースヘンシェンシフト測定については，定性的にはビームの位置ズレが確認できたが，定量的な評価ができていないため，遅れている．
試作に関しては，格子構造の作製に用いた紫外線レーザーの強度分布のばらつきの影響が大きかったが，レーザー強度をモニターすることで，露光時間を決定し，露光量を一定にすることで，時間に対するばらつきの影響が少なくなり，センサ作製の再現性を向上できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，波長検出については一定の成果が得られたため，今後は2次元周期構造にすることで，偏光無依存化とパラジウム表面積の増加による高感度化をねらう．
次に，ラジアル偏光入射によるワンショット位相差測定については，回転偏光子法などの他の位相差測定法と比べながら，問題の洗い出し，対策を講じる予定である．
グースヘンシェンシフト測定については，定量的な実証実験をする予定である．実験再現性を高めるために，回転ステージによる入射角の変更と，P,S偏光の切り替えに液晶素子の導入を検討している．また，ビームの位置ズレの計算にこれまでは全反射モデルを用いていたが，実際には共鳴時には反射率が減少し，その結果，反射角もシフトすることが分かっている．この反射角の利用および，分割フォトダイオードを用いた高感度な検出法についても検討する．
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| Causes of Carryover |
グースヘンシェンシフト測定の実験について，当該年度に発表する予定であったが，定量的な評価に至らず発表できなかったため，未使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
そのため，グースヘンシェンシフト測定の定量的な実証実験を次年度に行うこととし，その成果の発表経費に充てることとしたい．
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Research Products
(2 results)
