2020 Fiscal Year Annual Research Report
環境水中のナノ・マイクロ粒子の実時間測定法の開発と応用
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19H04236
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
茂木 信宏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20507818)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
足立 光司 気象庁気象研究所, 全球大気海洋研究部, 主任研究官 (90630814)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | エアロゾル / 海洋微粒子 / 光散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き、物性・粒径・数濃度の同時定量が可能な粒子分析法である「複素散乱振幅の測定技術」の開発・改良を行った。複素散乱振幅とは粒子による散乱波の振幅と位相シフトを表す複素パラメータである。複素散乱振幅測定は、前処理を介さずかつ非破壊・非接触で粒子の物性（複素屈折率）の同定が可能であるため、大気・海洋・雪氷中の粒子状物質（有機物粒子・生物粒子・金属粒子・微細気泡など）の広域的・長期的な動態調査への応用が期待される。流体中の単一粒子の複素散乱振幅のインライン測定技術は、自己参照干渉法(Self-reference interferometry)という新たな干渉光学系の発明によって実現可能となったが、測定の誤差解析と最適化のプロトコルは未確立であった。本年度は、自己参照干渉法を用いた複素散乱振幅測定法の原理を記述する理論式群を従来研究よりも大幅に一般化し、その結果を用いて、設計段階および運転中に複素散乱振幅の測定誤差や測定分解能を予測・制御することを可能にし、ビームパラメータと測定粒径範囲の関係を明らかにした。具体的には、流路幅が有限であることにより光軸上の粒子座標が分布を持つことによる干渉信号への影響を予測できるようにし、さらに、実際のビームウエスト径/粒径の条件下で、ガウシアンビーム波を平面波で近似することによる系統誤差を理論的に評価する方法を開発した。粒径範囲0.2um-5umのポリスチレン粒子・シリカ粒子を用いて、実際の装置の複素散乱振幅測定性能を評価した。
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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
本年度に開発した、自己参照干渉法の誤差解析と最適化のプロトコルは、流体中の粒子の複素散乱振幅センシングのために必要不可欠な基盤技術である。これは当初の計画では見逃していた、どの計画項目よりも本質的な研究課題である。研究成果論文は、光学技術専門誌Optics Expressに投稿して2021年5月から6月中に出版の見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に開発した自己参照干渉法の誤差解析と最適化のプロトコル(CAS-v1)に基づいて、粒径範囲0.2-5umの環境水中の粒子の分析を行う。鉱物ダスト、バクテリア、黒色炭素、プラスチックの標準粒子を用いてそれらの粒子の判別性能を評価する。さらに、非球形粒子の散乱理論をもちいて広い粒径範囲に適用可能なデータ解析アルゴリズム開発する。
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