JP2018036158A - Method and system for observing beam of electromagnetic wave - Google Patents
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Abstract
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 an observation method and an observation system for an electromagnetic wave beam produced by, for example, a gyrotron.
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。 The gyrotron is a device that can generate powerful electromagnetic waves in the terahertz wave band from microwaves, and is used in various applications including plasma heating in fusion reactors.
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。
It is important to know the position or shape (profile) of the output electromagnetic wave beam in the operation and experimentation of the gyrotron. In order to examine the profile of the beam emitted from the gyrotron, there is provided a technique for irradiating a beam to a certain target plate and observing the temperature distribution by thermography.
For example, Non-Patent Document 1 provides a technique for irradiating a vinyl chloride plate with a beam emitted from a gyrotron and observing a temperature change with an infrared camera.
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 technologies described in
Therefore, a method for examining the beam profile simply and inexpensively is desired.
The present invention relates to an electromagnetic wave beam observation method capable of observing the position or profile of a microwave, terahertz wave, or infrared light beam emitted from a gyrotron, for example, without using thermography, etc. 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、酸化亜鉛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、前記酸化亜鉛結晶は単結晶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、前記酸化亜鉛結晶は、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％以下である結晶であることを特徴とする請求項１ないし４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６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５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７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酸化亜鉛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８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７記載の電磁波のビーム観測システムである。
請求項９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７又は８記載の電磁波のビーム観測システムである。
請求項１０に係る発明は、前記酸化亜鉛結晶は単結晶であることを特徴とする請求項７ないし９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。
請求項１１に係る発明は、前記酸化亜鉛結晶は、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％以下である結晶であることを特徴とする請求項７ないし１０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。
請求項１２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７ないし１１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 claim 1 is an electromagnetic wave beam observation method characterized by using light emission from a zinc oxide crystal in a method of observing the position or profile of a microwave, terahertz wave or infrared light beam.
The invention according to
The invention according to claim 3 is the electromagnetic wave beam observation method according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to claim 6 is the beam observation method for electromagnetic waves according to any one of claims 1 to 5, wherein the power of the beam is 10 W to 30 W per square millimeter and the frequency is 100 GHz to 200 GHz. It is.
The invention according to claim 7 is an electromagnetic wave beam observation system characterized in that a zinc oxide crystal is disposed on a microwave, terahertz wave or infrared beam.
The invention according to claim 8 is the electromagnetic wave beam observation system according to claim 7, wherein light emitted from the zinc oxide crystal is visible light.
The invention according to claim 9 is the electromagnetic wave beam observation system according to claim 7 or 8, wherein the beam is a beam generated by a gyrotron.
The invention according to claim 10 is the electromagnetic wave beam observation system according to any one of claims 7 to 9, wherein the zinc oxide crystal is a single crystal.
The invention according to claim 11 is the crystal according to any one of claims 7 to 10, wherein the zinc oxide crystal has a terahertz wave energy transmittance of 50% or less at 0.1 THz to 1.0 THz. 2. An electromagnetic wave beam observation system according to item 1.
The invention according to claim 12 is the electromagnetic wave beam observation system according to any one of claims 7 to 11, wherein the power of the beam is 10 W to 30 W per square millimeter and the frequency is 100 GHz to 200 GHz. It is.
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 knowledge obtained in making the present invention.
Zinc oxide generally does not emit light when irradiated with a microwave, terahertz wave, or infrared beam. However, the present inventors have found zinc oxide that emits light when irradiated with a microwave, terahertz wave, or infrared light beam.
Further examination of the zinc oxide reveals that it does not transmit terahertz waves from sub-terahertz and irradiates microwaves, terahertz waves, or infrared light beams when the transmission from sub-terahertz to terahertz is 50% or less It was found that light is emitted when
According to the present invention, the position or profile of a microwave, terahertz wave, or infrared light beam emitted from a gyrotron or the like can be observed without using thermography or the like.
In particular, in the present invention, visualization is realized, and the handling of the electromagnetic wave becomes extremely easy. Therefore, for example, it is very useful in the alignment of 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 using visible light emission from zinc oxide, the position or profile of the electromagnetic wave beam emitted from a gyrotron or the like can be observed visually or 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 hydrothermal synthesis.
The generated single crystal of zinc oxide was sliced with a thickness of 0.5 mm and a plane index (0001), and both surfaces were polished. Subsequently, crystals with large absorption of terahertz waves were selected by terahertz time-resolved spectroscopy. The cause of the absorption of terahertz waves has not yet been clarified, but it is assumed that defects such as impurities are included.
When a crystal having a terahertz wave energy transmittance of greater than 50% at 0.1 THz to 1.0 THz was used, no visible light emission could be observed even when the output of the gyrotron was irradiated. From this, the single crystal of zinc oxide is preferably a crystal whose energy transmittance of terahertz waves measured with a terahertz time-resolved spectrometer 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 diagram of an electromagnetic wave observation system according to an embodiment of the present invention. A zinc oxide crystal 3 is disposed on an
Gyrotron
W-30W, frequency is 100GHz-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 distribution of the
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 is an example of an energy transmittance spectrum of zinc oxide crystal from 0.1 THz to 1.0 THz. In the crystal having a large transmittance shown by a dotted line, no emission is observed when the output of the gyrotron is irradiated. In the crystal with low transmittance indicated by the solid line, light emission was observed. FIG. 3 is an example of an emission spectrum from a zinc oxide crystal. The peak is located in the visible range, and the emission distribution can be observed visually or with a visible 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
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