単一現象追跡のための高速温度画像測定装置の開発

• 研究課題/領域番号: 16655005
• 研究種目: 萌芽研究
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 近畿大学
• 研究代表者: 若林 知成 近畿大学, 理工学部, 講師 (30273428)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 3,400千円 (直接経費: 3,400千円); 2006年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2005年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2004年度: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
• キーワード: 高速ビデオカメラ / サーモグラフィー / 黒体輻射 / 二波長測定 / 黒体放射 / 温度画像 / 微粒子 / クラスター / 炭素鎖分子

研究概要

瞬間的な燃焼や発火など、短時間で高温に達する化学反応をリアルタイムで追跡し、発熱過程を制御することは、高温条件下でのみ生成が可能な特異な分子の発見や収率の向上につながる。また、化学反応で放出される熱エネルギーを温度の時間変化から算出することにより、反応過程における分子や微粒子の化学結合および内部状態の変化を明らかにすることが可能となる。
本研究では、ミリ秒以下の時間で起こる発熱現象をリアルタイムの画像として捉え、発熱体の温度を実時間追跡するための高速温度画像測定装置の開発を行った。最終年度に当たる本年度は、温度校正のための検量線を作成し、実際の反応系の観察に応用した。
検量線の作成においては、電流によって明るさの調節が可能な21Wの電球を高速ビデオカメラおよび2次標準である放射温度計で観察した。カメラの光入射部にはダイクロイックミラーと全反射ミラーを組み合わせた波長一画像分割装置を置く方式を最終的に採用した。フィラメントからの光は波長および空間的に分割され、CCD素子に結像する。画像信号をPCに取り込んだ後、二つのフィラメント像の強度を別々に読み取り、その比を放射温度計の示す温度に対してプロットした。フィラメントの電流を変化させて測定した多数の画像から強度比I_<VIS>/I_<NIR>を求め、対応する放射温度計の温度に対してプロットし、検量線とした。実際の測定では、電流の変化に応じて明るさが桁違いに変化して飽和の起こりやすい状況が生じたため、フィラメントとカメラの間に、減光のためのNDフィルターを置き、減光の度合いを系統的に調節しながら測定を行った。その結果、1700〜2300℃の温度領域で良好な検量線を得ることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Single-Wall Carbon Nanotubes Encaging Linear Chain C_<10>H_2 Polyyne Molecules Inside (2007)
  • 著者名/発表者名: D.Nishide, H.Dohi, T.Wakabayashi, E.Nishibori, S.Aoyagi, M.Ishida, S.Kikuchi, R.Kitaura, T.Sugai, M.Sakata, H.Shinohara
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 428 ページ: 356-360
• [雑誌論文] Raman and Surface-Enhanced Raman Scattering of a Series of Polyynes (2007)
  • 著者名/発表者名: H.Tabata, M.Fujii, S.Hayashi, T.Doi, T.Wakabayashi
  • 雑誌名: Carbon 44 ページ: 3168-3176
• [雑誌論文] Resonance Raman Spectra of Polyyne Molecules C_<10>H_2 and C_<12>H_2 in Solution (2007)
  • 著者名/発表者名: T.Wakabayashi, H.Tabata, T.Doi, H.Nagayama, K.Okuda, R.Umeda, I.Hisaki, M.Sonoda, Y.Tobe, T.Minematsu, K.Hashimoto, S.Hayashi
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 433 ページ: 296-300
• [雑誌論文] Raman Spectroscopy of Size-Selected Linear Polyyne Molecules C_<2n>H_2 (n=4-6) Encapsulated in Single-Wall Carbon Nanotubes (2007)
  • 著者名/発表者名: D.Nishide, T.Wakabayashi, T.Sugai, R.Kitaura, H.Kataura, Y.Achiba, H.Shinohara
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 111 ページ: 5178-5183
• [雑誌論文] Size-Selective Formation of C_<78> Fullerene from a Three-Dimensional Polyyne Precursor (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Tobe, R.Umeda, M.Sonoda, T.Wakabayashi
  • 雑誌名: Chem.Eur.J. 11 ページ: 1603-1609
• [雑誌論文] Time-of-Flight Mass Spectroscopy of Carbon Clusters and Hydrocarbons Produced by Laser Ablation of Graphite under H_2 and He Buffer Gas -Formation and Stability of C_<10> and C_<2n>H_2 (n=2-5)- (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Kato, T.Wakabayashi, T.Momose, T.Shida
  • 雑誌名: J.Mass Spectrometry Soc.Japan 53 ページ: 203-210
• [雑誌論文] Approaches to Size-Selective Formation of Fullerenes by Cyclization of Highly Reactive Polyyne Chains (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Umeda, M.Sonoda, T.Wakabayashi, Y.Tobe
  • 雑誌名: Chem.Lett. 34 ページ: 1579-1574
  • NAID: 10016891373
• [雑誌論文] Flashing Carbon on Cold Surfaces (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Wakabayashi, A.-L.Ong, D.Strelnikov, W.Kratschmer
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 108・12 ページ: 3686-3690
• [雑誌論文] Coagulation of Linear Carbon Molecules into Nanoparticles : A Molecular Dynamics Study (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamaguchi, T.Wakabayashi
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 388・4-6 ページ: 436-440
• [雑誌論文] A Mass Spectroscopic Study of Laser Vaporized Graphite in H_2 and D_2 Gases : The Stability of C_<2n>H_2 (n=2-5) and C_<10> (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Kato, T.Wakabayashi, T.Momose
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 386・4-6 ページ: 279-285
• [雑誌論文] UV and IR Absorption Spectra of C_3 Embedded in Solid Parahydrogen (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Hoshina, Y.Kato, Y.Morisawa, T.Wakabayashi, T.Momose
  • 雑誌名: Chem.Phys. 300・1-3 ページ: 69-77
• [図書] "Carbon Chain Molecules in Cryogenic Matrices", Chap.1 in Polyynes ; Synthesis, Properties, and Applications (ed.by F.Cataldo) (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Wakabayashi, W.Kraetschmer
  • 総ページ数: 14
  • 出版者: Taylor & Francis CRC Press Inc.
• [図書] "Cyclic Polyynes : Generation, Characterization, and Reactions", Chap.6 in Polyynes : Synthesis, Properties, and Applications (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Tobe, T.Wakabayashi
  • 総ページ数: 28
  • 出版者: Taylor & Francis CRC Press Inc.
• [図書] "Polyynes C_<2n>H_2 (n=2-5) and Other Products from Laser Ablated Graphite : A Time-of-Flight Mass Spectroscopic Study in Combination with One-Photon Ionization", Chap.9 in Polyynes : Synthesis, Properties, and Applications (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Wakabayashi, Y.Kato, T.Momose, T.Shida
  • 総ページ数: 15
  • 出版者: Taylor & Francis CRC Press Inc.
• [図書] Carbon Chain Molecules in Cryogenic Matrices (Chapter 1) in Polyynes : Synthesis, Properties, and Applications (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Wakabayashi, E.Kratschmer
  • 総ページ数: 350
  • 出版者: F.Cataldo Editor, Marcel Dekker (New York) and CRCpress (Boca Raton, Florida)
• [図書] Carbon-Rich Compounds : Acetylene-Based Carbon Allotropes (Chapter 9) in Acetylene Chemistry : Chemistry, Biology, and Material Science (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Tobe, T.Wakabayashi
  • 総ページ数: 528
  • 出版者: F.Diederich, P.J.Stang, and R.R.Tykwinski Editors, Wiley-VCH (Weinheim)