徳島大ら,テラヘルツコムで煙混在ガス濃度をリアルタイム分析

JST戦略的創造研究推進事業において,徳島大学と仏リトラル・コート・ド・パール大学の国際共同研究グループは,煙が混在したガスの濃度をリアルタイムで分析する技術の開発に成功した(ニュースリリース)。

産業分野において,燃焼過程を高効率化し,環境負荷の小さい工業プロセスを確立するためには,煙やススなどエアロゾルが混在した燃焼ガスの「ありのままの状態」を直接分析することが有効となる。

また,火災現場において二次災害を防ぐためには,煙が充満した閉鎖空間で引火性ガスや有毒性ガス,有害性ガスを迅速に検出する必要がある。しかし,エアロゾル混在ガスの有効な分析方法はこまでなかった。

テラヘルツ波は,極性ガスの回転運動による吸収が現れる特徴的な周波数帯に位置し,テラヘルツ波長とエアロゾル粒子サイズの大小関係からエアロゾルの影響を受け難い特徴を持つことから,エアロゾル混在ガスの分析手段として期待されてきた。

テラヘルツ領域に回転吸収スペクトル群が密集して存在している各種ガスを正確に識別し測定するためには,極めて高いスペクトル確度とスペクトル分解能を持ち,テラヘルツの全領域に対応できる分光法が必要となる。しかし,従来法でこれらの性能を達成するには長い測定時間を要し,リアルタイム分析に応用するのは困難だった。

今回,ルビジウム周波数標準を基準とした極めて正確な周波数間隔の櫛の歯状テラヘルツ波(テラヘルツコム)を生成し,非同期光サンプリング式テラヘルツ時間領域分光法と呼ばれる手法で正確かつ高速に読み出すことにより,エアロゾル混在ガス分析において,高い分光性能(高確度,高分解能,広帯域)と,リアルタイム性(測定レート1秒毎)の両立を実現した。

具体的には,近赤外フェムト秒ファイバーレーザー光のパルス繰返し周波数を,ルビジウム周波数標準を基準としたレーザー制御技術により安定化した後,光伝導アンテナに入射することにより,テラヘルツコムと呼ばれるテラヘルツ波を発生させた。テラヘルツコムは,狭線幅テラヘルツ波が等間隔で並んだ櫛(comb:コム)の歯状スペクトル構造を持っており,ルビジウム周波数標準によって精度が保証されたテラヘルツ周波数の物差しとして利用できる。

このテラヘルツコムのスペクトル構造は,通常のテラヘルツ分光計では微細すぎて読み取れないが,非同期光サンプリング式テラヘルツ時間領域分光法と呼ばれる手法を用いることで,正確かつ高速に読み出すことが可能となり,高い分光性能とリアルタイム性を両立可能なテラヘルツ分光装置が開発できた。このテラヘルツコムは,煙の影響を全く受けないことも分かった。

加えて,広帯域テラヘルツスペクトル内に存在する数百本に及ぶ回転吸収スペクトル群を考慮した解析モデルを適用することにより,煙が充満した環境で時々刻々と変化するアセトニトリルガス濃度を検出限界200ppmで分析することができた。

今後の展開として,装置のさらなる性能向上に加えて,さらに測定時間を短縮することにより,時々刻々と変化する燃焼関連ガスの生成消滅に関わる多様な化学反応や中間状態を「ありのまま」に追跡し,そのメカニズムを解明することがあるとしている。

また,今回のテラヘルツ分光装置は,レーザー光源も含めて光ファイバー技術を駆使して構築されているため,可搬性,安定性,適応性,調整不要といった特長がある。したがって,工場や屋外といったオープンフィールドで実用化し,テラヘルツガス分析を幅広く普及させていきたいとしている。

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