2016 Fiscal Year Research-status Report
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
| Project/Area Number |
16K05009
|
|---|
| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
清水 祐公子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 物理計測標準研究部門, 主任研究員 (30357222)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大久保 章 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 物理計測標準研究部門, 主任研究員 (30635800)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 気体温度 / 光コム / 温度計測 / デュアルコム分光 / 分子分光 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
デュアルコム分光法により、室温におけるアセチレン分子の振動回転遷移スペクトル線を、50本以上観測し、その吸収強度の解析により、分子気体の温度決定および決定精度の評価をおこなった。すなわち観測された50本以上の振動回転遷移スペクトルのエンベロープに、分子の振動回転スペクトル線の吸収強度の理論式を、一括してフィッティングさせる解析プログラムを構築し、温度決定に成功した。この一括フィッティング法は、同じ実験条件で多くのスペクトル線を一度に取得できるデュアルコム分光の特徴を積極的に利用した方法である。決定温度は23.5℃±0.8℃であった。この結果は分子を封入した吸収セルの外壁にとりつけた抵抗温度計で実測した温度23.4℃とよく一致した。本手法の精度の高さを検証するために、従来技術による解析法でも温度値を求めた。すなわち複数のスペクトル線の中から任意の2本のスペクトル線を選択し強度比を求め、温度を決定するプログラムの構築を行い、温度を決定した。また、当初計画にはなかったが、1本の吸収スペクトルの“幅”を解析する手法によっても温度値を決定した。両者とも温度決定の解析に、2本または1本の少数のスペクトル線しか使わないため、各スペクトル線のベースラインの不規則な変動が直接影響し、決定温度に大きなばらつきが生じた。デュアルコム分光による温度測定には、本研究で新しく提案した、多くのスペクトル線を一括して解析する本手法が最適であり、信頼性が高い結果がえられることが証明された。
同様の測定・解析を50℃および80℃でも実施した。吸収セルの外壁温度を5つの熱電対でモニターしたが、熱の出入りに課題があり、外壁には温度分布が生じた。しかし分光学的温度は常温の場合と同程度の精度で決定され、外壁温度には大きな分布があっても、セル内部の分子温度は十分に熱平衡に達していることがわかった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で提案した分子の吸収強度解析プログラムを構築し、デュアルコム分光の特徴をいかした一括フィッティング法により温度を決定できる段階に達した。これにより、当初の計画であった、室温における気体分子の温度決定および決定精度の検証を完了させた。さらに、分子温度を可変にするために、吸収セル外部に取り付けた加熱機構の試作器を製作した。しかし、原理検証を行った結果、セルの上下方向から熱の逃げが生じ、壁面に温度分布が生じた。温度分布を測定した値を平均すると、本手法による実験値と良い一致を示し、本手法はセル内部の温度値を決めることができている手法であることが示された、しかし、信頼性の高い温度決定を目指すため、試作器での課題を解決した恒温槽の設計を行っている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
現在の光コム温度計の精度は、デュアルコム分光によって得られるスペクトルのベースラインが、正しくゼロレベルにならないことで制限されていると考えている。ベースラインは、光学系中の光学素子でビームが反射することによる干渉縞を含んでいるが、積算時間が長いと干渉縞が変動するため、その間にベースラインが変動し、それらの効果により、フィッティングに誤差を生じる。今後光学系の改良、積算時間を短縮するためS/Nを向上させることで、温度決定精度を上げる。
また、今回の実験では測定帯域が約55 THz程度であり、1回の測定に約0.05 秒かかる。ただし1回のみの測定ではS/Nが低く、温度決定精度を上げるために10000回程度積算したため、全測定時間は10分弱である。今後、燃焼系や非平衡状態のガスの温度計測などを対象とするには、測定時間を短くする必要がある。そこで今後、光学系の調整や、必要な帯域のみの測定を行うことなどにより、より短い時間で同等の信号を取得する方法を開発する。
|
| Causes of Carryover |
当初の設計で試作した吸収セルの加熱機構により、その原理検証を行った。その結果、吸収セルに、当初予定していなかった温度分布等の課題が生じたため、それらの解決を行い設計変更を行うこととした。したがって、今年度の予定であった、加熱機構の制作に関して、設計変更し、次年度に制作することとしたため、次年度の使用額が生じた。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度、課題解決をし設計変更をおこなった温度可変の加熱機構を制作する。さらに当初の計画通りに、ヒーターを内蔵した分光用吸収セルを制作する。また、原理検証により吸収セル内分子温度と外壁温度との差による温度決定の不確かさが明らかになった。この不確かさを低減させるべく、セル内分子温度測定用の極小白金抵抗温度計を設置した、吸収セルを制作する。
|
Research Products
(2 results)
-
[Presentation] 光コム温度計2017
Author(s)
清水祐公子、大久保章、大苗敦、稲場肇
Organizer
第64回応用物理学会春季学術講演会
Place of Presentation
パシフィコ横浜（神奈川県）
Year and Date
2017-03-17
-
