2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a fiber-optic sensor system for distributed chemical sensing
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19H02388
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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) |
水谷 忠均 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究領域主幹 (00401232)
丸 祐介 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (20524101)
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) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光ファイバ水素センサ / エバネッセント波吸収型 / ファイバグレーティング型 / 白金担持酸化タングステン / 白金担持シリカ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は白金担持酸化タングステン及び白金担持シリカ膜の更なる特性向上を目指すとともに、宇宙ロケットエンジンの液体水素燃料配管系に適用可能な多点デバイスの試作と実環境評価を行うことができた。以下に研究成果の概要を示す。
白金担持酸化タングステン膜の光ファイバへの製膜性向上を目指して、ゾルゲル法の作製プロセスにおいて界面活性剤等の添加物を加え、その光学特性及び水素感応特性を190nmから2700nmまでの広い波長範囲で測定した。その結果、サーフィノール465を添加した場合は、500℃における焼成条件においても界面活性剤を添加しない場合と同様の応答特性が得られた。また、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウムは350℃における焼成条件で復帰特性良好な水素応答特性が得られた。一方、ポリオキシエチレンラウリルエーテルの場合は350℃、500℃における焼成条件ともに応答性を示さなかったため、触媒毒の作用があるものと考えられる。最後に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの場合は、500℃における焼成条件では応答性を示さなかったが、350℃における焼成条件では良好な応答性を示し、低温焼成により光ファイバにダメージを与えず、水素感応膜を固定化できる可能性が示唆された。
白金担持シリカ膜に関しては、フュームドシリカを担体とし、水素曝露において生じる温度上昇を感度として評価した。その結果、粒径7nmのフュームドシリカを水に分散後、400℃で6時間焼成を行った触媒粉末が高いセンサ感度を有することが明らかとなった。この触媒を光ファイバグレーティングに固定化する手法を確立し、光ファイバケーブルにセンサを直列に10箇所配置したライン型デバイスを実現した。当該センサを、JAXAの試験研究用小型実験機（RV-X）に実装し、フィールドにおけるロケットエンジン燃焼試験時のセンサ動作特性を取得することができた。
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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
2020年度は前年度に引き続き、白金担持酸化タングステン及び白金担持シリカ膜の高度化・実適用性向上を目指して研究を行った。特にファイバグレーティング型多点水素センサを実現するための白金担持シリカ膜の高度化と耐久性向上に資するデータを順調に採取することができた。この知見をもとに光ファイバケーブル上にグレーティング型センサデバイスを10箇所配置した多点センサデバイスを作製し、当初最終年度に予定した実フィールドでの適用試験を先行して行うとともにその課題点などを抽出することができ、想定以上の成果を得ることができた。一方で、エバネッセント型デバイスについては光伝搬損失が大きいため、長尺化に苦心していること、コロナの影響で国際会議が延期となり、発表は2021年度に持ち越すこととなり、成果発表という点でもやや遅れをとっている。上記から、総合的には順調に進捗していると判断したが、最終年度である2021年度は実フィールドでの実証試験や成果発表など鋭意取り組み、一層の成果を挙げたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
能代ロケット試験場におけるフィールド調査により、実際のロケットエンジン燃料配管システムには、エンジン燃焼試験時に部位により大きな温度分布が生じることが分かった。当初構想していた多点グレーティング型センサデバイスでは全体として環境温度補償用グレーティング素子を数箇所配置することを想定していたが、それだけでは十分ではなく、補償用温度センサと触媒燃焼式グレーティングセンサを部位ごとに一対としてフィールド適用することが高精度の水素漏洩検知・漏洩位置特定に必要であった。そこで、最終年度はこの点を考慮したデバイス設計・作製を行い、多点水素センサの高度化と実環境における適用性を大きく向上させる。一方、エバネッセント型水素センサに関しては、デバイス自体の光伝搬損失を大きく改善させる方策とデバイスの脆弱性を大きく改善させる方策が必要である。まず前者では、伝搬損失挙動を詳細かつ定量的に評価する必要があるため、通常の光計測用の一般的な光源ではなく、高出力型の光源を用いて、迷光等の影響を低減化して良好なSN比を実現できる試験評価環境を構築し、水素感応膜の固定化や白金触媒含有率などの組成と光伝搬損失の関係を明確化する。さらに後者については、昨年度作製した長尺ファイバに対して均一にディップコーティングができる治具の改良などを進め、より均一に長手方向に水素感応膜を固定化できる技術を確立する。また、折損の防止など施工性向上に資する被覆層やデバイスの保護機構を構築し、妨害成分や結露も含めた環境湿度の影響なども定量的に明確化し、実環境下での適用性の高い長尺のセンサデバイス実現を達成する。さらに、宇宙ロケット用液体水素燃料タンク・配管システムにおけるフィールド試験に関する試験評価項目・実施方法や評価に必要な機材の作製などについて十分な打ち合わせを行い、先導的なフィールド試験データを得るための検討をさらに進める。
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Research Products
(6 results)
