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燃焼計測 レーザー誘起蛍光法:LIFシステム

燃焼流体 レーザー誘起蛍光法:LIFシステム

LIF(レーザー誘起蛍光)

LIF(レーザー誘起蛍光法 – Laser Induced Fluorescence)はレーザー等の単波長光源で計測対象に含まれる特定の分子を励起して、その分子からの蛍光を観察する技術です。蛍光発光は励起光の波長と異なるため励起光の乱反射などの影響を受けずに観察することができます。燃焼中のガス分子種の計測(PLIF)、微小領域のガスの濃度分布、温度分布、拡散や混合、反応、PHなどの測定を行うマイクロLIF、多分子種、温度と速度などを同時測定するマルチPLIF、ベアリングやオイルシールなど油膜の膜厚測定を実現できる手法です。

LIFのバリエーション

LIFによる燃焼測定では、アセトン、OH、CH、NOなどのガス分子種及びそれらの瞬時分布を測定することが可能です。LIFの中でも特に画像による平面LIF測定を、PLIF(画像レーザー誘起蛍光、平面レーザー誘起蛍光)と呼びます。PLIFは、ICCDなどの超高感度カメラを使用するLIFシステムであり、燃焼計測や解析に非常に有効な手法です。

LIFによる燃焼計測LIFによる燃焼計測 : PLIF

ベアリングやオイルシールなどの油膜の膜厚分布計測や噴霧状況・付着状況を可視化できます。計測対象にごく微量の蛍光色素を添加するだけで計測を行うため非接触、非破壊で計測が可能です。膜厚分布では最も薄い場合でサブミクロン程度まで定量計測が可能なため、様々な膜に対応することが可能です。

LIFによる油膜膜厚測定LIFによる膜厚計測

マイクロLIFの場合、濃度分布、温度分布、拡散、混合、反応、PHなどを測定することが可能です。
専用マイクロ光学系は、一般的な顕微鏡では不可能な高出力UVパルスレーザーを同軸落射照明することができます。

マイクロLIF

多分子種、温度、スピードなどを同時に測定することができます。 例えば、アセトンは280nmに吸収ピークを示し、蛍光は435nm付近に見られます。 OHラジカルは283nmで誘起され、315nm付近で瞬間的に蛍光を発するためこれらの同時測定が可能です。

マルチPLIF

ガス分子種計測の各種手法

火炎中のガス分子種を計測するには、様々な種類が存在します。ポイント計測、ライン計測、そしてエリア計測(2D)と、また、その用途によっても変わってきます。表は、それぞれの計測方法、計測可能なガス分子種の一例です。

 

横スクロールでご覧いただけます。

測定方法 測定システム ガス分子種
ポイント 自発光スペクトル OH, CH, C2
CARS(CoherentAnti-StokesRamanScattering) N2, O2
ライン ラマン散乱法 OH, NO, NO2, C2, CH...etc
 TDLAS(Tunable diode laser absorption spectroscopy) CH4, CO, CO2, O2, HCl, NH3, HC...etc 
エリア
 
PLIF   OH, C, NO, O2, CO
各ガスの仕様例を参照
ガス分子種計測の各種手法 LIF

ここでは、エリア計測であるLIFについてご紹介します。LIFによる燃焼計測ではアセトン、OH、CH、NO等のガス分子種およびそれらの瞬時分布を測定することが可能です。LIFのなかでも特に画像による平面LIF計測をPLIF(画像レーザー誘起蛍光法、Planer Laser Induced Fluorescence)と呼びます。PLIFはICCD等の超高感度カメラを利用するLIFシステムで、燃焼計測・解析にたいへん有効な手法です。

LIFシステムソフトウェア "Koncerto-LIF" の特長

LIFシステムソフトウェア Koncerto-LIFの特長

Koncerto-LIF(西華デジタルイメージによって開発された制御および解析ソフトウェア)は、ICCDカメラおよびEMCCDカメラなどの超高感度カメラを制御し、高ビット画像を表示および分析するために必要な機能を備えた統合撮像測定ソフトウェアです。

 

  • カメラ制御機能
    様々なメーカーとモデルに対応しています。 複数のカメラの同時制御、画像表示が可能です。
  • カメラアライメント機能
    2台のカメラの画角を等しくするための調整機能です。 画角調整には較正ターゲットを使用します。 まず、カメラアライメントアシスト機能を使用して、2台のカメラの画角を可能な限り同じにします。 次に、ソフトウェアで物理的に調整できないエラーを微調整します。
  • タイミングコントローラの制御
    タイミングコントローラーLC880はリアルタイムで制御され、カメラやレーザーなどのシステムを構成する機器の同期制御が行われます。
  • レーザー強度モニター
    LIFでは、各ピクセルの輝度値は密度、温度などに変換されることが多く、レーザー強度ショット間のばらつきは測定誤差を招く。 KoncertoLIFでは、画像取得時のレーザー強度を測定・記録し、フレーム間のレーザー強度の変動による測定誤差を補正することができます。

  • 高ビットイメージの表示
    16ビットなどの高ビットイメージを分かりやすく表示することができます。
  • 分析 / 表示機能
    リアルタイムカメラ画像表示機能、擬似カラー表示、平均演算、演算、空間輝度分布のばらつき補正、画像補正、キャリブレーション(スケールファクタ、スカラー量)など、マイクロショット解析に必要な様々な機能を備えています。
  • 共焦点スキャナー制御
    横河電機CSUシリーズ制御が可能で、マイクロイメージングの高速、高空間分解能が可能です。
  • ピエゾフォーカススキャナーコントロール
    マイクロイメージングのためのピエゾフォーカススキャナーを用いて高速で焦点面を走査することが可能です。各種カメラのフレームと連動してスキャンを行うことができ、タイムラプス撮影やマイクロPIV撮影などの各種プログラムスキャンが可能です。

LIFの原理

LIFの原理


一般的にLIFは、レーザー光で特定の原子・分子を励起し、それによって引き起こされる発光を観測し、励起スペクトルを得て、その強度より原子・分子の濃度を知り、スペクトル分布から温度を知る方法です。対象とする分子の存在する観測領域に励起光を入射させ、対象とする原子、分子を共鳴励起します。発生した蛍光を、励起光の光軸と直角方向に設置した比較的口径の大きいレンズで集光し、カメラなどの検出器で検出します。得られた画像を基に、各ピクセルの輝度値を濃度や温度等に変換することで測定を行います。

アプリケーション

LIF アプリケーション
  • エンジン燃焼室におけるラジカル測定
  • バーナーのラジカル測定
  • 血漿のラジカル測定
  • 温度測定
  • 濃度測定
  • PH測定
  • 混合状態測定

LIFシステムコンポーネント

LIFシステムコンポーネント

LIFを観察するための基本的な光学系を、図示します。 励起光は、標的となる分子が存在する観察領域に入射するように構成されています。 次に、レーザーによって対象となる原子および分子を共鳴励起します。 励起によって発生した蛍光の光軸に垂直な方向に設定された比較的大口径のレンズで発生した蛍光を集め、カメラなどの検出器で検出します。 励起光源としては、広範囲に渡って波長変換が可能な色素レーザーとその高調波が用いられています。


システム構成例

パルスレーザー
 色素レーザー
コントロールソフト( Koncerto-PLIF )
 タイミングコントローラ
 レーザー強度モニタ機能
 専用ライトシート光学系
高感度カメラ
レンズ、定盤、ワークステーション

LIFコンポーネント一覧



LIF 仕様各種

LIF 仕様各種

PLIFによる燃焼測定では、アセトン、OH、CH、NOなどのガスの分子種やその瞬時分布を測定することができます。

ガス種によってシステム構成/仕様が異なります。

各ガス種別の仕様例をご参照下さい。


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