2014 Fiscal Year Research-status Report

レーザー誘起ブレークダウンを用いた密度分布測定

Research Project

Project/Area Number	25420138
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	屋代英彦独立行政法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (30358197)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	欠端雅之独立行政法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (70356757)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords	レーザー誘起ブレークダウン / エアロゾル / 液滴 / 数密度分布 / 絶対数密度測定
Outline of Annual Research Achievements	レーザー誘起ブレークダウンを用いた高精細な空間数密度分布測定のため、レーザー光を分離し複数点に同時集光、複数の基準点における絶対数密度計測を行う。この基準は前年度までの結果から4㎜の間隔を開けることで密度測定への影響が無い事が確かめられている。この複数の測定点は平凸レンズと導入したDOE（回折光学素子）を用いることで分離集光し密度測定が可能である。また多点でのブレークダウン発光は観測用ビデオカメラをレーザー照射と同期することで取得できる。製作したDOEは6x6の36点にレーザー光を集光できるが、YAGレーザーの出力低下、回折損失から1点当たりの集光エネルギーが既存の単一ノズルからのエアロゾルでは十分でないことが分かった。実験計画が遂行できる様にエアロゾルの高密度化が必要で2つのノズルを直交方向に設置しエアロゾルを放出、衝突させ、液滴粒径の小型化、液滴速度を遅くすることで数密度上昇が可能な様に改造中である。その間可能な実験としてレーザーブレークダウン発光の観測範囲を限定して高空間分解能を実現する方法を検討し実験した。その結果、従来のレーザー光を単純に集光して全域からブレークダウン発光確率を観測し密度評価を行う方法に比べて10倍以上の高い空間分解能が得られることがわかり、流体のレーザー計測を行う国際学会(LISBON 2014)に投稿し発表した。この実験結果の解析から空間分解能を向上することでレーザー伝搬方向の急激な密度変化が観測できるだけでなく、1×103cm3の低密度エアロゾルが1cm以下の小体積でも計測可能な事が確かめられた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初の予定では26年度で密度分布同時計測を行うはずだったが、測定用レーザーの出力低下を考慮していなかった。DOEの性質上、奇数次の分離では0次光の強度が他に比べて格段に強くなることから5x5の分離は原則的に使えない。4x4の分離で1本当たりのレーザー強度を高くすることで計測には問題が無いが、散乱光との比較を行うためには基準点までの距離が離れてしまうため6x6を選択して前年度製作した。複数ノズルから供給エアロゾルを衝突させることで液滴の小型化、低速化ができるため、密度が上昇することが予想される。このエアロゾルを用いて密度分布を現在測定中である。レーザーブレークダウンを用いた密度測定方法は当初計画した密度分布測定以外にも重要な改良項目がある。空間分解能向上の実験をこの期間中に行えたことは当初の計画にないものではあったが意義ある成果と考える。
Strategy for Future Research Activity	現在、DOEを用いてビーム分割を行ったレーザー光を同時集光した計測を行っている。当初計画した単一ノズルからのエアロゾル密度は過去の実験条件から36分割のDOEで十分測定できる対象であった。しかし、レーザー出力の低下から設計製作したDOEでは1ビーム当たりのエネルギーが弱いため予定していた単一ノズルから放出されるエアロゾルの密度分布を測定するには十分な強度で無かった。レーザー出力が回復する様にランプ交換等を行い、中央部分の高密度部分では辛うじて密度測定が行える程度に回復した。しかし、周辺部の低密度部分では十分なブレークダウン発生確率を評価できないため、高密度エアロゾルを供給するため2つのノズルからのエアロゾルを衝突させることで高密度化する予定である。また、集光用レンズの焦点距離を300㎜のものから220㎜のものに変更し、1ビーム当たりのエネルギーが少なくて済むようにすると共にf220mmのレンズで測定対象になる密度のエアロゾルになる様に上記の設定に変更している。ブレークダウン発生確率は高くなる方向になっているので27年度中に密度分布を6x6の36点で評価できると考えている。また、各基準点の分布測定の結果と、可視レーザーによる散乱強度の結果と比較することで、基準点以外の範囲でも数密度が絶対値で測定を行う予定である。
Causes of Carryover	26年度は当初の目的で測定を行うためには消耗品等の購入が必要であった。しかし、レーザー出力の低下に伴いエアロゾル供給用のノズル等を改造している期間で研究の遅延が生じ予定通りの費用を消化するに至らなかった。そのため最終年度に残金を一部残す結果となった。
Expenditure Plan for Carryover Budget	ノズルの改良から密度を適切に上昇することが出来たため、当初の予定の密度空間分布が測定できると考えている。同時に当初の計画通り可視レーザーによる散乱強度の空間分布を同時に測定し、レーザー誘起ブレークダウンにより測定した絶対数密度を基準とすることで広い範囲に渡っての空間分布を測定する。