JP6922174B2 - Electromagnetic wave beam observation method and observation system - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、ジャイロトロンなどによって作られた電磁波のビームの観測方法及び観測システムに係るものである。 The present invention relates to, for example, an observation method and an observation system for an electromagnetic wave beam created by a gyrotron or the like.
ジャイロトロンはマイクロ波からテラヘルツ波帯の強力な電磁波を発生することができる装置であり、核融合炉でのプラズマ加熱を始めさまざまな用途に用いられている。 A gyrotron is a device that can generate strong electromagnetic waves in the terahertz wave band from microwaves, and is used for various purposes such as plasma heating in a fusion reactor.
ジャイロトロンの運用および実験での使用において、出力される電磁波のビームの位置ないし形状（プロファイル）を把握することは重要である。ジャイロトロンから出るビームのプロファイルを調べるために何らかのターゲット板にビームを照射して温度分布をサーモグラフィーで観測する技術が提供さされている。
例えば、非特許文献１では、ジャイロトロンから出るビームを塩化ビニルの板に照射し温度変化を赤外線カメラで観測する技術が提供されている。
非特許文献２では、核融合炉内のサブテラヘルツ波を黒鉛の板に当ててその温度上昇を赤外線カメラで調べる技術が提供されている。
In the operation and experimental use of the gyrotron, it is important to know the position or shape (profile) of the beam of the output electromagnetic wave. In order to investigate the profile of the beam emitted from the gyrotron, a technique is provided in which a target plate is irradiated with the beam and the temperature distribution is observed by thermography.
For example, Non-Patent
Non-Patent
非特許文献１、２記載技術は、サーモグラフィー用のカメラ・赤外線カメラ等を用いており、可視光のカメラに比べ高価でありかつ大型である。
そこで、簡便かつ安価にビームのプロファイルを調べる手法が望まれる。
本発明は、サーモグラフィー等を用いずに、簡便かつ安価に、例えばジャイロトロンなどから出るマイクロ波、テラヘルツ波、または赤外光のビームの位置ないしプロファイルを観測することができる電磁波のビーム観測方法及び観測システムを提供することを目的とする。
The techniques described in
Therefore, a method for examining the beam profile easily and inexpensively is desired.
The present invention provides an electromagnetic wave beam observation method capable of observing the position or profile of a microwave, terahertz wave, or infrared light beam emitted from, for example, a gyrotron, easily and inexpensively without using thermography or the like. The purpose is to provide an observation system.
請求項１に係る発明は、マイクロ波、テラヘルツ波または赤外光のビームの位置またはプロファイルを観測する方法において、テラヘルツ波のエネルギー透過率が０．１ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚにおいて５０％以下である酸化亜鉛結晶の単結晶からの発光を用いることを特徴とする電磁波のビーム観測方法である。
請求項２に係る発明は、前記酸化亜鉛結晶からの発光は可視光であることを特徴とする請求項１記載の電磁波のビーム観測方法である。
請求項３に係る発明は、前記ビームは、ジャイロトロンによって発生するビームであることを特徴とする請求項１又は２記載の電磁波のビーム観測方法である。
請求項４に係る発明は、前記ビームのパワーは１平方ミリメートルあたり１０Ｗ〜３０Ｗ、周波数は１００ＧＨｚ〜２００ＧＨｚであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の電磁波のビーム観測方法である。
請求項５に係る発明は、マイクロ波、テラヘルツ波または赤外光のビーム上に、テラヘルツ波のエネルギー透過率が０．１ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚにおいて５０％以下である酸化亜鉛結晶の単結晶が配置されていることを特徴とする電磁波のビーム観測システムである。
請求項６に係る発明は、前記酸化亜鉛結晶からの発光は可視光であることを特徴とする請求項５記載の電磁波のビーム観測システムである。
請求項７に係る発明は、前記ビームは、ジャイロトロンによって発生するビームであることを特徴とする請求項５又は６記載の電磁波のビーム観測システムである。
請求項８に係る発明は、前記ビームのパワーは１平方ミリメートルあたり１０Ｗ〜３０Ｗ、周波数は１００ＧＨｚ〜２００ＧＨｚであることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項記載の電磁波のビーム観測システムである。
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The method for observing an electromagnetic wave according to any one of
In the invention according to
The invention according to claim 6 is the electromagnetic wave beam observation system according to
The invention according to claim 7 is the electromagnetic wave beam observation system according to
The electromagnetic wave beam observation system according to any one of
本発明の効果を、本発明をなすに際して得た知見とともに説明する。
酸化亜鉛は一般に、マイクロ波、テラヘルツ波、または赤外光のビームを照射しても発光しない。しかし、本発明者はマイクロ波、テラヘルツ波、または赤外光のビームを照射すると発光する酸化亜鉛を見出した。
その酸化亜鉛をさらに調べると、サブテラヘルツからテラヘルツ波を透過しないことも見出し、サブテラヘルツからテラヘルと波の透過率が５０％以下の場合にマイクロ波、テラヘルツ波、または赤外光のビームを照射した場合に発光することを知見した。
本発明によれば、サーモグラフィー等を用いることなくジャイロトロンなどから出るマイクロ波、テラヘルツ波、または赤外光のビームの位置またはプロファイルを観測することができる。
特に、本発明では、可視化が実現されており極めて上記電磁波の取扱いが容易となる。そのために、例えば、ジャイロトロンのビームを用いた実験系のアライメントの際に非常に有用となる。
The effects of the present invention will be described together with the findings obtained in making the present invention.
Zinc oxide generally does not emit light when irradiated with microwaves, terahertz waves, or infrared beams. However, the inventor has found zinc oxide that emits light when irradiated with a microwave, terahertz wave, or infrared beam.
Further investigation of the zinc oxide revealed that it does not transmit terahertz waves from sub-terahertz, and irradiates a beam of microwave, terahertz wave, or infrared light when the transmittance of terahertz and waves from sub-terahertz is 50% or less. It was found that it emits light when it is used.
According to the present invention, it is possible to observe the position or profile of a beam of microwave, terahertz wave, or infrared light emitted from a gyrotron or the like without using thermography or the like.
In particular, in the present invention, visualization is realized, and the handling of the above electromagnetic waves becomes extremely easy. Therefore, for example, it is very useful when aligning an experimental system using a gyrotron beam.
酸化亜鉛からの可視発光を利用する本発明により、ジャイロトロンなどから出る電磁波のビームの位置またはプロファイルを目視またはカメラ等で観測することができる。 According to the present invention utilizing visible light emission from zinc oxide, the position or profile of the beam of electromagnetic waves emitted from a gyrotron or the like can be visually observed or observed with a camera or the like.
水熱合成法によって酸化亜鉛の単結晶を生成した。
生成した酸化亜鉛の単結晶を、厚さ０．５ミリメートル、面指数（０００１）でスライスして両面を研磨した。その後テラヘルツ時間分解分光測定により、テラヘルツ波の吸収が大きな結晶を選び出した。テラヘルツ波の吸収が生じる原因はまだ明らかになっていないが、不純物などの欠陥が含まれるためと推測される。
テラヘルツ波のエネルギー透過率が０．１ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚにおいて５０％より大きな結晶を用いた場合はジャイロトロンの出力を照射しても可視発光を観測することができなかった。このことから酸化亜鉛の単結晶は、テラヘルツ時間分解分光測定装置で測定したテラヘルツ波のエネルギー透過率が０．１ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚにおいて５０％以下である結晶が好ましい。
A single crystal of zinc oxide was produced by a hydrothermal synthesis method.
The resulting zinc oxide single crystal was sliced to a thickness of 0.5 mm and a plane index (0001), and both sides were polished. After that, crystals with large absorption of terahertz waves were selected by terahertz time-resolved spectroscopic measurement. The cause of the absorption of terahertz waves has not yet been clarified, but it is presumed that it contains defects such as impurities.
When a crystal having an energy transmittance of terahertz wave larger than 50% at 0.1 THz to 1.0 THz was used, visible light emission could not be observed even when the output of the gyrotron was irradiated. For this reason, the zinc oxide single crystal is preferably a crystal in which the energy transmittance of the terahertz wave measured by the terahertz time-resolved spectroscopic measuring device is 50% or less at 0.1 THz to 1.0 THz.
図１は本発明の実施例に係る電磁波の観測システムの概略図である。ジャイロトロンのビーム出射口１から出る電磁波のビーム２上に酸化亜鉛結晶３を配置する。酸化亜鉛結晶３からの可視の発光４が見えることを確認する。
ジャイロトロンのビーム２のパワーは１平方ミリメートルあたり１０
Ｗ〜３０ Ｗ、周波数は１００ ＧＨｚ〜２００
ＧＨｚであることが好ましい。
なお、酸化亜鉛結晶からの発光４が見えないあるいは強すぎる場合はジャイロトロンのデューティ比を変えるなどの方法でビームのパワーを調整する。
FIG. 1 is a schematic view of an electromagnetic wave observation system according to an embodiment of the present invention. The
The power of
W to 30 W, frequency is 100 GHz to 200
It is preferably GHz.
If the
酸化亜鉛結晶３からの発光４の分布を観測してビームの位置およびプロファイルを得た。なお、観測は目視で行うか、あるいは酸化亜鉛結晶３の後ろにカメラ５を配置して分布を画像として得ることで行う。
The position and profile of the beam were obtained by observing the distribution of
図２は酸化亜鉛結晶の０．１ ＴＨｚから１．０ ＴＨｚにおけるエネルギー透過率スペクトルの例であり、点線で示した透過率の大きな結晶ではジャイロトロンの出力を照射した際に発光が観測されず、実線で示した透過率の低い結晶では発光が見られた。図３は酸化亜鉛結晶からの発光スペクトルの例である。ピークが可視域に位置しており、目視あるいは可視用のカメラで発光の分布を観察することができる。 FIG. 2 shows an example of the energy transmittance spectrum of the zinc oxide crystal from 0.1 THz to 1.0 THz. In the crystal having a large transmittance shown by the dotted line, no light emission is observed when the output of the gyrotron is irradiated. Light emission was observed in the crystals with low transmittance shown by the solid line. FIG. 3 is an example of an emission spectrum from a zinc oxide crystal. The peak is located in the visible range, and the distribution of light emission can be observed with a visual or visual camera.
例えばジャイロトロン開発施設やジャイロトロンを使用する核融合研究施設などでの利用が期待される。 For example, it is expected to be used in gyrotron development facilities and fusion research facilities that use gyrotrons.
１ 電磁波のビーム出射口
２ 電磁波のビーム
３ 酸化亜鉛結晶
４ 酸化亜鉛からの発光
５ カメラ
1 Electromagnetic
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