リン光温度測定

リン光体温度測定法は、表面温度を測定する光学的方法です。この方法では、リン光体材料から放出される発光を利用します。リン光体は、さまざまな手段で刺激されて発光、つまり光を発する、微細な白色またはパステルカラーの無機粉末です。放出される光の特定の特性は、明るさ、色、残光持続時間など、温度によって変化します。温度測定には、残光持続時間が最も一般的に使用されます。

蛍光体を利用した温度測定についての最初の言及は、1932年にポール・ノイバートが最初に申請した2つの特許にあります。^[1]

通常、短時間の紫外線ランプまたはレーザー光源が蛍光体コーティングを照らし、それが目に見える発光を起こします。照明源が消えると、発光は一定時間持続し、徐々に減少します。明るさが元の値の1/eに減少するのに必要な時間は減衰時間または寿命と呼ばれ、 と表されます。これは温度 T の関数です。 ${\displaystyle \tau}$

発光の強度 I は、通常、次のように指数関数的に減少します。

${\displaystyle \!\,I=I_{o}e^{\frac {-t}{\tau }}}$

ここで、I ₀は初期強度（または振幅）です。「t」は時間であり、温度に依存する可能性のあるパラメータです。 ${\displaystyle \tau}$

直接減衰時間測定に基づく温度センサーは、1000℃から1600℃までの温度に達することが示されています。^[2]この研究では、ドープYAG蛍光体を非ドープYAGファイバー上に成長させてプローブのモノリシック構造を形成し、レーザーを励起源として使用しました。その後、励起源としてLEDを使用する他のバージョンが実現しました。これらのデバイスは1000℃までの温度を測定でき、マイクロ波およびプラズマ処理アプリケーションで使用されています。^[3]

励起源がパルスではなく周期的である場合、発光の時間応答はそれに応じて異なります。たとえば、周波数fの正弦波状に変化する発光ダイオード(LED) 信号と、その結果生じる蛍光の間には位相差があります (図を参照)。位相差は減衰時間、つまり温度によって次のように変化します。

${\displaystyle \!\,\phi =tan(2{\pi }f{\tau })}$

温度検出の2番目の方法は、2つの別々の輝線の強度比に基づいています。コーティング温度の変化は、リン光スペクトルの変化に反映されます。^{[4] [5]}この方法により、表面温度分布を測定できます。^[6]強度比法の利点は、輝線間の比率を比較するため、汚れた光学系が測定にほとんど影響を与えないことです。輝線は、「汚れた」表面や光学系によって同様に影響を受けます。

右の図にはいくつかの観察事項が関連しています。

• オキシ硫化物材料は、それぞれ異なる温度依存性を持ついくつかの異なる発光線を示します。ある希土類元素を別の希土類元素に置き換えると、この例では La が Gd に変更され、温度依存性が変化します。
• YAG:Cr 材料 (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ :Cr ³⁺ ) は感度は低くなりますが、より感度の高い材料よりも広い温度範囲をカバーします。
• 減衰時間は、あるしきい値を超えると温度に依存するようになるまで、広い範囲で一定である場合があります。これは、YVO ₄ :Dy 曲線で示されていますが、他のいくつかの材料にも当てはまります (図には示されていません)。メーカーは、増感剤として 2 番目の希土類元素を追加することがあります。これにより、放射が強化され、温度依存性の性質が変化することがあります。また、YAGのアルミニウムの一部がガリウムに置き換えられることがあり、これも温度依存性を変化させます。
• ジスプロシウム(Dy) 蛍光体の発光減衰は、時間とともに非指数関数的に減少する場合があります。したがって、減衰時間に割り当てられる値は、選択した分析方法によって異なります。この非指数関数的特性は、ドーパント濃度が増加するにつれて顕著になることがよくあります。
• 高温部分では、2 つのリン酸ルテチウム サンプルは粉末ではなく単結晶です。ただし、これは減衰時間とその温度依存性にほとんど影響しません。ただし、特定の蛍光体の減衰時間は、特に 1 マイクロメートル未満の粒子サイズに依存します。

サーモグラフィ蛍光体の発光に影響を与えるパラメータは他にもあります。たとえば、励起エネルギー、ドーパント濃度、周囲のガス相の組成または絶対圧力などです。したがって、すべての測定でこれらのパラメータを一定に保つように注意する必要があります。

熱遮断コーティング( TBC) により、ガスタービン部品はエンジンの高温部での高温に耐えながら、許容できる寿命を維持できます。これらのコーティングは、通常、酸化物材料をベースにした薄いセラミックコーティング (数百マイクロメートル) です。

初期の研究では、発光材料をTBCの侵食センサーとして統合することが検討されました。^[7]温度検出用の「熱バリアセンサーコーティング」（センサーTBC）の概念は、1998年に導入されました。温度を測定する必要がある表面に蛍光体層を塗布する代わりに、TBCの組成を局所的に変更して、サーモグラフィー蛍光体と保護熱バリアとして機能するようにすることが提案されました。この二重機能材料は表面温度の測定を可能にするだけでなく、TBC内および金属/トップコート界面の温度を測定する手段も提供できるため、統合熱流束ゲージの製造が可能になります。^[8]ユーロピアを共ドープしたイットリア安定化ジルコニア（YSZ:Eu）粉末に関する最初の結果は2000年に発表されました。 ^[9]彼らはまた、50μmの未ドープYSZ層を通して見て、ESAVD技術を使用してコーティングを生成することにより、その下の薄い（10μm）YSZ:Eu層（二重層システム）のリン光を検出する表面下測定を実証しました。^[10] TBCの電子ビーム物理蒸着に関する最初の結果は2001年に発表されました。^[11]テストされたコーティングは、ジスプロシアを共ドープした標準YSZ（YSZ:Dy）の単層コーティングでした。工業用大気圧プラズマ噴霧（APS）センサーコーティングシステムに関する最初の研究は2002年頃に始まり、2005年に発表されました。^[12]彼らは、高速カメラシステムを使用してバーナーリグ内のその場2次元温度測定のためのAPSセンサーコーティングの機能を実証しました。^[13]さらに、APSセンサーコーティングの温度測定能力は1400℃を超えることが実証されています。^[14]コーティングの表面と下の温度を同時に測定できる多層センシングTBCの結果が報告されました。このような多層コーティングは、熱勾配を監視し、実際の使用条件下でTBCの厚さを通る熱流束を測定するための熱流束ゲージとしても使用できます。^[15]

前述の方法は温度検出に焦点を当てていますが、熱遮断コーティングにリン光材料を含めると、老化メカニズムや光学活性イオンの局所原子周囲に影響を与える他の物理的パラメータの変化を検出するためのマイクロプローブとしても機能します。^{[8] [16]}バナジウムの攻撃によるYSZの高温腐食プロセスの検出が実証されました。^[17]

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