ポータブルRamanアナライザ、遠隔から水素リークを検出

May, 23, 2025, Washington--サウスフロリダ大学の研究者たちは、周囲空気中の非常に低濃度の水素ガスを正確に測定できる新しいポータブルラマン分析装置を開発した。
この装置は、ガスの可燃性や閉鎖空間に蓄積する傾向により深刻な安全上のリスクをもたらす水素漏れの検出に役立つ可能性がある。

「水素が輸送、暖房、発電の有望な燃料として認識されるようになるにつれて、安全性を確保し、損失を最小限に抑えることがさらに重要になる。水素は、パイプラインや貯蔵タンクの微細な亀裂から漏れることがある。産業現場では、これらの漏れを検出するには、多くの場合、発生源に密接に近づく必要がある。われわれのラマンアナライザは、周囲の水素濃度の小さな変化を感知して、離れた場所から漏れを特定することができる」と、サウスフロリダ大学の研究チームリーダーAndreas Mullerは話している。

Optica Publishing GroupのジャーナルApplied Opticsで、研究チームは、この機器が数分で周囲空気中の100万分の1をはるかに下回る水素濃度を検出できることを示し、したがって、数メートル離れた発生源から毎分数百ミリリットルの漏れを特定できることを示した。

「われわれの汎用性の高い機器は、地表下に存在する重要な水素資源の探査など、様々な産業および科学用途に役立つ可能性がある。このシステムは、他の多くの分析種を同等に低濃度で検出するように最適化することもでき、たとえば医療アプリケーションに役立つ可能性がある」(Muller)。

ポータブル微量ガス検知器
水素は軽量で無色無臭のガスであり、急速に分散するため、周囲空気中の非常に低濃度の水素ガスを測定することは困難である。また、バックグラウンドガスに干渉されずに微量を拾い上げるためには、検出方法の感度と精度が極めて高くなければならない。今日のポータブル水素センサは、化学的に標識された表面の間接的な電気化学的または電気機械的な変化に依存する傾向があり、非常に低い濃度を正確に測定することはできない。

これらの制限を克服するために、研究チームは、光を使用して材料から独自の光信号を生成し、物質の非侵襲的な同定と測定を可能にする技術、ラマン散乱に基づく新しいポータブル機器を開発した。ラマン散乱は液体や固体の分析に商業的に使用されている。低濃度のガスの検出に適用するには、ラマン散乱信号を強化する方法が必要になるが、これは通常、実験室の外部で実装するのが困難。

今回の研究では、研究チームは、マルチパスキャビティエンハンスメント(外乱を許容し、特殊なレーザや安定化技術を必要としないエンハンスメントの一種)を使用するラマンアナライザを設計した。

「われわれは以前、研究室でラマン微量ガス分析器を研究していたが、ポータブルバージョンの実装にはいくつかのエンジニアリング革新が必要だった。われわれの新しいラマンアナライザは、屋外環境に対応し、合理的なフォームファクタと消費電力で供給源周辺の水素濃度の微小な変化をマッピングすることができる」(Muller)。

ラマン分析を外部に持ち出す
ポータブルラマンガス分析計を構築するために、研究者は442nmで発光するレーザを使用し、数ワットの高出力と0.1nm未満の狭い線幅を実現した。また、環境の温度変化によるミスアライメントが発生しないマルチパスキャビティも作成した。重要なのは、レーザと分光器が十分な磁場の自律性を得るために、それぞれ10W未満を消費する必要があったことである。

サウスフロリダ大学の大学院生、Charuka Arachchigeは、水素源からの時間と距離に対する水素濃度をマッピングすることにより、様々な環境における機器の安定性と適応性を評価する取り組みを主導した。実験室での水素の蓄積と崩壊が特徴付けられた後、同氏はそれを、発生源から8メートル離れた場所から始めて、実験室、アトリウム、屋外のオープンスペースの3つの異なる場所を、様々な環境条件下で距離の関数として測定し、機器の感度と安定性を評価した。

この知見は、一般的な環境要因の影響を受けて、すべての場所で水素濃度が一貫して変動することを示した。また、屋外の条件下でも、数メートル離れた場所から周囲のレベルよりもわずか63ppm高い水素レベルを検出することができた。これにより、小さな漏れを遠くから検出できることが実証された。

研究チームは、装置の検出限界、記録速度、コンパクトさの改善を続けている。