原子力発電所の安全監視における光ファイバセンシング技術の応用に関する研究（その２）
2018年1月31日
宋祖栄： 中国環境保護部核・放射線安全センター
修士、エンジニア。主な研究分野は、放射能安全管理と監視。
李暁洋、李懿軒、畢金生： 中国環境保護部核・放射線安全センター
（その１よりつづき）
2 光ファイバひずみセンサと光ファイバ温度センサ
原子力発電所の床板は大体積のコンクリートであるため、原子力発電所の運行プロセスにおいてコンクリートのひずみや温度のリアルタイム監視を行うことは、その進展の規則性を適時把握した上で計測データに基づいて相応の措置を講じ、放射能の漏洩を回避する上で重要な意義がある｡光ファイバひずみセンサと光ファイバ温度センサには主に光ファイバグレーティング型と光干渉計型等があり、なかでも光ファイバグレーティング型が最も広く応用されているタイプであるが、モード干渉計型光ファイバセンサは感度が高く、構造に無駄がなく、パラメータ計測と結びつけやすいなどの長所があるため、現在、光ファイバセンサ研究における関心事となっている｡そこで、近年発表された典型的な光ファイバひずみセンサと光ファイバ温度センサについて紹介する。光ファイバグレーティングひずみセンサの研究分野においては、2010年に香港理工大学のChangrui Liaoらが繰り返し周波数1kHz､パルス幅120fs、波長800nmのフェムト秒レーザパルスを採用し、特殊な光ファイバ上に長周期光ファイバグレーティングを描写した［9］。実験で得られたこのひずみセンサの感度は1.8pm/μεであった｡
モード干渉計型光ファイバひずみセンサの研究分野においては、2007年に韓国のHae Young Choiらがフォトニック結晶ファイバを利用してマッハ・ツェンダーひずみセンサを作製した［10］。光ファイバのコア溶接の位置ずれと光ファイバの加熱による陥没のいずれによっても光ファイバのコアモデルのクラッドモードへの部分的な光作動を実現できる上に、2本の光が次の溶接による陥没箇所に干渉すると、実験では、このセンサの中心波長1,560nmのポイントにおけるひずみ感度は-2.28pm/μεとなることがわかった。このセンサのひずみ感度は光ファイバFBGひずみセンサを明らかに上回るが、フォトニック結晶ファイバの設計・製作は複雑である｡2008年、Rao YJらは中空コアフォトニック結晶ファイバを2つのシングルモード光ファイバの間に溶接して光ファイバひずみセンサを作製した［11］。その構造は図4のとおり。その原理は、2種類の光ファイバのコアのマッチングが実現しないことによって、2つの溶接箇所の端面間に発生した反射光間で干渉が生じることにある｡実験では異なる長さのフォトニック結晶ファイバサンプルを制作することによって、5μεの計測精度を実現した。このセンサは構造がシンプルで、温度感度が低く、ひずみ感度が高いという長所がある｡
Fig.4 Schematic diagram of the strain sensor based on hollow-core photonic crystal fiber
図4 中空コアフォトニック結晶ファイバをベースとしたひずみセンサの構造イメージ
2011年、G Statkiewiczbarabachらはフォトニック結晶モード干渉計を実験的に作製し［12］、溶融双円錐テーパ技術を利用してフォトニック結晶ファイバ中に2つの細い円錐を作製することによって基本モードと2モードの干渉を実現した。実験により得られたこのセンサのひずみ感度は2.15pm/μεであった｡2012年、Lecheng Liらはsingle mode (SM)-multi mode (MM)-thin core (TC)-SMの光ファイバ構造センサを発表し［13］、それをひずみの計測に応用したところ、実験により得られたこのセンサのひずみ感度は2.99pm/μεであった。また、このセンサは温度や屈折率などのパラメータの計測にも応用できる｡2012年、Jie Huangらはポリマー・マルチモード光ファイバを利用して新型光ファイバひずみセンサを実現した［14］。このセンサは1段のポリマー・マルチモード光ファイバを2段のシングルモード光ファイバの間に溶接することによって構成され、実験により得られたこのセンサのひずみ感度は1.72pm/μεであった｡2014年、Hugo F.Martinsらはダブルコア光ファイバをベースとする高感度ひずみセンサを発表した［15］。2つのファイバコアにドープした材料が異なったために高い光弾性効果を示したことから、実験により得られたこのセンサのひずみ感度は0.1nm/μεに達した｡2015年、Chunying Guanらは5コア光ファイバをベースとしたマッハ・ツェンダー干渉計を発表した［16］。センサの構造イメージは図5のとおりで、1段の5コア光ファイバを2段のシングルモード光ファイバの間に溶接したところ、5つのコアは直線分布を示し、コア間の距離は17.3μm、コアとクラッドの屈折率差は0.0045、クラッドの直径は142μmであった。干渉計をひずみと曲率の計測にそれぞれ応用したところ、実験により得られたこのセンサのひずみと曲率の感度はそれぞれ0.8pm/μεと10.37nm/m-1であった｡
Fig.5 Schematic diagram of the five-core fiber interferometer
図5 5コア光ファイバ干渉計の構造イメージ
2015年、Yin Ping Miaoらはsingle mode (SM)-thin core (TC)-photonic crystal (PC)-SMをベースとした光ファイバ構造的ひずみセンサを発表した［17］。このうち、thin core (TC)光ファイバはモードビームスプリッターとしての役割を果たした。センサの構造イメージは図6のとおりで、このセンサのひずみ感度は58.57pm/μεであった。また、このセンサは温度感度が低く、温度感度は0.56pm/℃で、ひずみの計測に応用する際には温度干渉による影響を無視することができる｡
Fig.6 Schematic diagram of the strain sensor based on single-mode fiber-thin-core fiber-photonic crystal fiber-single-mode fiber structure
図6 single mode (SM)-thin core (TC)-photonic crystal (PC)-SM構造をベースとした光ファイバ構造ひずみセンサのイメージ
2016年、Bin YinらはMM-SM-MM光ファイバ構造センサを発表し［18］、両端のマルチモード光ファイバはそれぞれモードの励起とカップリングに用いられた。このセンサの出力スペクトルの最大消光比は20dBに達し、実験により得られたこのセンサのひずみ感度は0.7096pm/μεであった｡また、2016年にBiao Wangらはフューモード光ファイバ（few-mode fiber, FMF）をベースとしたひずみセンサを発表した［19］。フューモード光ファイバと両端の光ファイバとの間はいずれも軸ずれ溶接を採用しており、その構造イメージは図7のとおり。実験により得られたこのセンサのひずみ感度は3.35pm/μεであった。このひずみセンサは感度が高いものの、軸ずれ溶接の構造を採用しているため、機械特性に劣る｡2016年、Hummad Habib QaziらはD型偏波保持光ファイバをベースとしたひずみセンサを発表した［20］。実験により得られたこのセンサのひずみ感度は46pm/μεであった。このセンサは温度計測にも応用することができ、温度感度は130pm/℃である｡
Fig.7 Schematic diagram of the strain sensor based on few-mode fiber
図7 フューモード光ファイバひずみセンサのイメージ
光ファイバグレーティング温度センサの研究分野においては、2013年にハルビン工業大学のYi Liuらが繰り返し周波数1kHz､パルス幅120fs、波長800nmのフェムト秒レーザパルスを採用し、一般のシングルモード光ファイバ上に超長周期光ファイバグレーティングを映し［21］、周期数は25回,グレーティングの周期長は4mmに達した｡実験では温度計測を行ったところ、温度変化の範囲が300℃から700℃の際に計測されたこのセンサの温度感度は最高で0.176nm/℃に達した上に、良好な熱安定性を有した｡モード干渉計型光ファイバ温度センサの研究分野においては、2009年にTao WeiらがCO2レーザ装置を利用して光ファイバを加熱し、マッハ・ツェンダー干渉計を作製して［22］、これを温度計測に応用した。このセンサの構造イメージは図8のとおりで、計測により得られたこのセンサの干渉縞パターンの可視性は約20dBで、優れたスペクトル特性を示した。これを温度計測に応用すると、温度が最高でも120℃を上回らない際に得られたその温度感度は81.7pm/℃であった｡
Fig.8 Schematic diagram of the fiber temperature sensor fabricated by CO2 laser
図8 CO2レーザ装置の加熱により作製された光ファイバ温度センサ
2010年、Jing Jing Zhuらはthin core(TC)光ファイバを2段のシングルモード光ファイバの間に溶接してthin core(TC)光ファイバモード干渉計を作製し［23］、この干渉計を温度計測に応用したところ、計測された温度の最大値は850℃に達し、温度感度は18.3pm/℃であった｡2013年、Le Xuらはシングルモード光ファイバ上にAbrupt-taperマイケルソン干渉計を作製した［24］。温度変化の範囲が500℃から800℃の際のこのセンサの温度感度は118.6pm/℃であった｡2014年、Yujuan ZhangらはSM-MM-SM光ファイバ屈曲構造温度センサを発表した［25］。中間のマルチモード光ファイバに採用されたのが屈曲構造であったため、このセンサは温度に高い感度を示し、実験により得られたこのセンサの温度感度は6.5nm/℃に達した｡2014年、Ai Zhouらは光ファイバ管をベースとした温度センサを発表した［26］。光ファイバ管を2段のマルチモード光ファイバの間に溶接し、光ファイバ管とマルチモード光ファイバとの間は位置ずれ溶接を採用したところ、実験により得られたこのセンサの温度感度は6.35nm/℃に達した｡2014年、J. EnriqueAntonio-Lopezらは7コア光ファイバをベースとした温度センサを発表した［27］。このセンサは1段の7コア光ファイバを2段のシングルモード光ファイバの間に溶接することで構成される｡このセンサは、低温時と高温時の温度感度が異なり、低温時の温度感度は52pm/℃で、高温時の温度感度は29pm/℃であった。このセンサは構造に無駄がなく、機械特性が良いなどの長所があるとともに、温度の計測可能な最大値は1,000℃に達することから、原子力発電所におけるコンクリートの高温監視に応用できる｡2015年、Xiaodong Wenらは光ファイバファブリ・ペロー干渉計を発表した［28］。この干渉計の構造イメージは図9のとおりで、2本の鉄製キャピラリーを採用してV型溝を構成し、2本の光ファイバがこのV型溝内におかれるように調整され、接着剤で固定されている。光ファイバ端面間の距離はLで、外界の温度に変化が生じると鉄質のV型溝によって2つの光ファイバ端面間の距離が大幅に改変され、これによって伝えられるスペクトルにも変化が生じ、温度の光ファイバセンシングが実現する。実験により得られたこのセンサの温度感度は最大で260.7nm/℃に達する。このセンサの温度感度は他のタイプの光ファイバセンサより明らかに高いため、原子力発電所の監視において温度変化の範囲が小さく、感度要求が高い場面に応用できる｡
Fig.9 Fabry-Perot interferometer based on V-groove
図9 V型溝をベースとした光ファイバファブリ・ペロー干渉計
2015年、Na Zhaoらはthin core (TC)光ファイバをベースとした温度センサを発表し［29］、thin core (TC)光ファイバとシングルモード光ファイバに拡径錐を採用して溶接を行った。このセンサの構造イメージは図10のとおり。このセンサはコアモードとクラッドモードの干渉により形成される損失ピークを利用することによって温度の計測を実現している。このセンサの温度計測範囲は30℃から800℃である。実験の結果、このセンサは良好な線形特性があり、温度感度は0.140nm/℃であることがわかった。このセンサは拡径錐構造を採用しているため、軸ずれ溶接構造やAbrupt-taperに比べて良好な機械特性を有する｡
Fig.10 Schematic diagram of the temperature sensor based on thin-core fiber
図10 thin core光ファイバ温度センサ構造のイメージ
2016年、Pei Xianらはヒョウタン型光ファイバをベースとした温度センサを発表した［30］。実験により得られたこのセンサの温度感度は17.15pm/℃であった｡2016年、Li Duanらはマルチコア光ファイバをベースとした温度センサを発表した［31］。このセンサは1段のマルチコア光ファイバをシングルモード光ファイバに溶接することによって構成され、このうちシングルモード光ファイバとマルチコア光ファイバの溶接箇所に細錐を作製し、マルチコア光ファイバの末端に球形端面を作製した。実験により得られたこのセンサの温度感度は165pm/℃である｡
3 結論
本稿では、原子力発電所の安全監視におけるニーズに対応するために、光ファイバ振動センサ､光ファイバひずみセンサと光ファイバ温度センサについて紹介した｡光ファイバセンサは優れた新型センサとして、従来型の電気センサに比べて耐電磁干渉があり、本質的に安全で、ネットワーク構築が容易で、遠隔計測やオンライン計測が実現しやすいなどの一連の長所があることから新しい製品が発表され続けており、研究者の幅広い注目を集め、強い生命力を示している｡光ファイバセンサは原子力発電所の安全監視において独自の長所があり、原子力発電所における現行の運行監視の多くの不足点を解決し、より正確で信頼性の高いデータを提供できるため、応用の見通しは明るい｡
（おわり）
参考文献：
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※本稿は宋祖栄、李暁洋、李懿軒、畢金生「光繊伝感技術在核電站安全監測中的応用研究」（『量子光学学報』2017年第23卷第3期、pp.297-304）を『量子光学学報』編集部の許可を得て日本語訳／転載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司