JP3390913B2 - Infrared imaging video bolometer, frame member used therefor, and method of measuring incident power distribution using infrared imaging video bolometer - Google Patents

Infrared imaging video bolometer, frame member used therefor, and method of measuring incident power distribution using infrared imaging video bolometer

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JP3390913B2
JP3390913B2 JP2000006635A JP2000006635A JP3390913B2 JP 3390913 B2 JP3390913 B2 JP 3390913B2 JP 2000006635 A JP2000006635 A JP 2000006635A JP 2000006635 A JP2000006635 A JP 2000006635A JP 3390913 B2 JP3390913 B2 JP 3390913B2
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bolometer
metal thin
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バイロン・ジェイ・ピーターソン
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核融合科学研究所長
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線イメージン
グビデオボロメーター、それに使用されるフレーム部材
および赤外線イメージングビデオボロメーターを用いた
入射パワー分布測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared imaging video bolometer, a frame member used therein, and an incident power distribution measuring method using the infrared imaging video bolometer.

【0002】[0002]

【従来の技術】IRイメージングボロメーター(IRI
B)は金属薄膜の温度変化からプラズマ放射光量を測定
する検出器として生み出された[TFR Group(presented b
y A. L. Pecquet), Journal of Nuclear Materials, 93
-94, 377(1980), J. C. Ingraham and G. Tonini, Re
v. Sci. Instrum. 61, 2976(1990)]。薄膜の温度変化の
測定のためにIRカメラを用いる方法は、動作中の薄膜
温度、波長、SN比の関係について述べた論文で最初に
提案されている[G. Apruzzese and G. Tonini,Rev. Sc
i. Instrum. 61, 2976(1990)]。2次元のIRIBの概
念は、当初吸収材の温度上昇を投影するために2次元に
分割されたマトリクスの利用が導入された[G. A. Wurd
en, in Diagnostics for Experimental Thermonuclear
Fusion Reactors, edited by P. E. Stott et al. (Ple
num, New York, 1996), pp. 603-606]。そして、金属
薄膜中の各ピクセルで構成された2次元アレイへと発展
した[G. A. Wurden, B. J. Peterson and S. Sudo, Re
v. Sci. Instrum. 68, 766(1997), G. A. Wuerden, U.
S. Patent 5,861,625]。この技術は赤外線イメージン
グボロメーター(IRIB)として知られていて、すで
にCHS装置への設計、組立、実験テストが行われた
[G. A. Wurden and B. J. Peterson, Rev. Sci. Instu
rm. 70, 766(1999)]。IRIBについての詳細を以下
に示す。
2. Description of the Related Art IR imaging bolometer (IRI
B) was created as a detector that measures the amount of plasma radiation from the temperature change of a metal thin film [TFR Group (presented b
y AL Pecquet), Journal of Nuclear Materials, 93
-94, 377 (1980), JC Ingraham and G. Tonini, Re
v. Sci. Instrum. 61, 2976 (1990)]. The method of using an IR camera for measuring the temperature change of a thin film was first proposed in a paper describing the relationship between the thin film temperature during operation, wavelength, and signal-to-noise ratio [G. Apruzzese and G. Tonini, Rev. Sc
i. Instrum. 61, 2976 (1990)]. The two-dimensional IRIB concept initially introduced the use of a two-dimensional partitioned matrix to project the temperature rise of the absorber [GA Wurd
en, in Diagnostics for Experimental Thermonuclear
Fusion Reactors, edited by PE Stott et al. (Ple
num, New York, 1996), pp. 603-606]. Then, it developed into a two-dimensional array composed of each pixel in a metal thin film [GA Wurden, BJ Peterson and S. Sudo, Re.
v. Sci. Instrum. 68, 766 (1997), GA Wuerden, U.
S. Patent 5,861,625]. This technique, known as the Infrared Imaging Bolometer (IRIB), has already been designed, assembled, and tested on CHS equipment [GA Wurden and BJ Peterson, Rev. Sci. Instu.
rm. 70, 766 (1999)]. Details about IRIB are shown below.

【0003】U. S. Patent 5,861,625に示されるよう
に、2次元のホールパターンを持つ2枚の同一形状のマ
スクの間に金属薄膜をサンドイッチ状に挟み、マスク内
の穴から薄膜が両面に露出している2次元アレイを図1
に示す。アレイの片面は、ピンホールやスリットを通り
抜けてきたプラズマ放射光に面している。一方、IRカ
メラは図2に示すように、黒化された薄膜アレイの裏面
に向けられていて、その薄膜アレイは入射したプラズマ
放射光からピクセルの温度上昇を生じる。銅マスクは各
ピクセルに対してヒートシンクの役割をなし、各ピクセ
ルのサイズ、厚み、熱特性により各ピクセルの感度Kと
熱拡散時間τが決定される。薄膜の厚みt f は想定され
る最高エネルギー光子を停止させるよう決定されるべき
である。
As shown in U.S. Patent 5,861,625
In addition, two identically shaped markers with a two-dimensional hole pattern
A thin metal film is sandwiched between the discs,
Figure 2 shows a two-dimensional array in which thin films are exposed on both sides from the holes in
Shown in. Pass one side of the array through a pinhole or slit.
It faces the emitted plasma radiation. On the other hand, IR power
Mela is the back side of the blackened thin film array, as shown in Figure 2.
The thin film array is directed at the incident plasma
The emitted light causes a temperature rise of the pixel. Each copper mask
It acts as a heat sink for the pixels, and each pixel
The sensitivity K of each pixel depends on the size, thickness, and thermal characteristics of the
The thermal diffusion time τ is determined. Thin film thickness t fIs assumed
Should be decided to stop the highest energy photon
Is.

【0004】薄膜の直径は、各ピクセルの熱拡散時間が
カメラのフレーム間隔Δtに合うよう決められるべきで
ある。ピクセルの直径dpix とその熱拡散時間との関係
は、(1)式によつて与えられ、
The diameter of the thin film should be determined so that the heat diffusion time of each pixel matches the frame interval Δt of the camera. The relationship between the pixel diameter d pix and its thermal diffusion time is given by equation (1),

【0005】[0005]

【数1】 [Equation 1]

【0006】κは薄膜の金属特性による熱拡散係数であ
る。
Κ is the thermal diffusion coefficient due to the metallic properties of the thin film.

【0007】もしこの値が大きい場合には、測定時間間
隔が十分ではなく、次の測定前に吸収された熱量が基準
値までに低下しない問題が生じるが、この値が小さけれ
ば熱拡散は急速に起こりすぎる。空間分解能はピンホー
ルとカメラの視野構造によって決定される。各ピクセル
は、レーザー出力パワーが既知なある周波数のチョッパ
ーされたHe−Neレーザー光を黒化された薄膜面へ入
射して、τとκの値を測定することによって信号較正さ
れる。各ピクセルへの放射光パワーは(2)式で与えら
れる。
If this value is large, there is a problem that the measurement time interval is not sufficient and the amount of heat absorbed before the next measurement does not fall to the reference value. However, if this value is small, heat diffusion is rapid. Happen too much to. Spatial resolution is determined by the pinhole and camera view structure. Each pixel is signal calibrated by injecting a choppered He-Ne laser light of a certain frequency with a known laser output power into the blackened film surface and measuring the values of τ and κ. The emitted light power to each pixel is given by equation (2).

【0008】[0008]

【数2】 [Equation 2]

【0009】ここでのTは、抵抗型金属フイルムボロメ
ーターの場合と同じように、マスクの温度を考慮した金
属薄膜の温度である。
Here, T is the temperature of the metal thin film in consideration of the temperature of the mask, as in the case of the resistance type metal film bolometer.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来のボロメーターにおいては、様々な問題がセグメ
ントに分離されたマトリクス状のマスクから生じる。
By the way, in the conventional bolometer as described above, various problems are caused by a matrix-shaped mask divided into segments.

【0011】1番目は、銅マスク上の凹部分である隣接
するピクセル間の熱交換によって、熱がクロストークの
ような本来信号のないピクセルにマスクを越えて漏れ出
すことである。
The first is that due to heat exchange between adjacent pixels, which are recesses on the copper mask, heat leaks past the mask to pixels that have no inherent signal, such as crosstalk.

【0012】2番目は、マスク上のピクセルの端の一部
分がマスクの縁の部分の影となることである。3番目の
問題は上記の影から発生するが、黒化させるために使用
している炭素スプレーを金属薄膜上に吹き付ける際、金
属薄膜とその上の銅マスクの表面が同一面でないため
に、スプレーによるカーボン膜が均一にならないことで
ある。
Second, a part of the edge of the pixel on the mask is a shadow of the edge part of the mask. The third problem arises from the above shadow, but when the carbon spray used for blackening is sprayed on the metal thin film, the spray is because the surface of the metal thin film and the copper mask on it are not on the same plane. That is, the carbon film is not uniform.

【0013】加えて、多数のピクセルがセグメントに分
離されているマスクによって固定され、マスクを覆う金
属薄膜の一部がマスクの影となって使用できない構造に
なるので、空間分解能が低下することである。
In addition, a large number of pixels are fixed by a mask divided into segments, and a part of the metal thin film covering the mask becomes a shadow of the mask to make it unusable, so that the spatial resolution is lowered. is there.

【0014】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、改良された赤外線イメージングビデオボ
ロメーター、それに使用されるフレーム部材および赤外
線イメージングビデオボロメーターを用いた入射パワー
分布測定方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and provides an improved infrared imaging video bolometer, a frame member used for the same, and an incident power distribution measuring method using the infrared imaging video bolometer. The purpose is to do.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の赤外線イメージ
ングビデオボロメーターは、プラズマが閉じ込められる
真空容器と、前記真空容器に取り付けられ、プラズマか
らの光反射を避けるために炭素のスプレイで内面が黒化
された光シールドチューブと、前記チューブの端面に設
けられ、前記真空容器に取り付けられた赤外線真空窓
と、前記赤外線真空窓とは反対側の前記チューブの端面
に設けられたプレートであって、ピンホール或いはスリ
ットを有していて、プラズマからの光を取り入れるプレ
ートと、前記プレートに平行に設けられ、前記プレート
から離隔して前記チューブに取り付けられ、薄膜を有す
るフレーム部材と、前記赤外線真空窓を介して前記フレ
ーム部材の薄膜を眺める赤外線カメラとを有し、前記フ
レーム部材は、金属薄膜と、熱伝導物質からなる2つの
フレームであって、各フレームには前記金属薄膜のサイ
ズよりわずかに小さな一つの窓が設けられていて、前記
金属薄膜が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて
両側で露出するように保持されているフレームとを具備
することを特徴とする。
The infrared imaging video bolometer of the present invention comprises a vacuum vessel in which plasma is confined and a vacuum vessel attached to the vacuum vessel. The inner surface is black by spraying carbon to avoid light reflection from the plasma. A light shield tube that has been converted to an infrared vacuum window provided on the end surface of the tube and attached to the vacuum container, and a plate provided on the end surface of the tube opposite to the infrared vacuum window, A plate having pinholes or slits for taking in light from plasma, a frame member provided in parallel with the plate, attached to the tube apart from the plate, having a thin film, and the infrared vacuum window. and a infrared camera views the film in the frame member through the frame member is a metal And the membrane, a two frames of a thermally conductive material, rhino in each frame the metal thin film
A frame having a size slightly smaller than the width, and the frame is held so that the metal thin film is sandwiched by the frame so as to cover the window and exposed on both sides. .

【0016】本発明の赤外線イメージングビデオボロメ
ーター用フレーム部材は、金属薄膜と、熱伝導物質から
なる2つのフレームであって、各フレームには前記金属
薄膜のサイズよりわずかに小さな一つの窓が設けられて
いて、前記金属薄膜が前記窓を覆うように前記フレーム
に挟まれて両側で露出するように保持されているフレー
ムとを具備することを特徴とする。
The frame member for an infrared imaging video bolometer of the present invention comprises two frames made of a metal thin film and a heat conductive material, and each frame is made of the metal.
A frame provided with a window slightly smaller than the size of the thin film, the metal thin film being sandwiched by the frame so as to cover the window and held so as to be exposed on both sides. And

【0017】なお、フレーム部材は、前記金属薄膜の両
側の圧力を調整すると共に、光をブロックすることがで
きる空洞を有することが好ましい。
It is preferable that the frame member has a cavity capable of blocking light while adjusting the pressure on both sides of the metal thin film.

【0018】本発明の赤外線イメージングビデオボロメ
ーターを用いた入射パワー分布測定方法は、上記赤外線
イメージングビデオボロメーターを用いて前記フレーム
部材の薄膜温度分布を測定するステップと、FTCSア
ルゴリズムを用いて前記金属薄膜上の入射パワー分布を
求めるステップとを具備することを特徴とする。
An incident power distribution measuring method using an infrared imaging video bolometer according to the present invention comprises a step of measuring a thin film temperature distribution of the frame member using the infrared imaging video bolometer, and a step of measuring the metal using an FTCS algorithm. Determining the incident power distribution on the thin film.

【0019】IRイメージングビデオボロメーター(I
RVB)は、IRIBからピクセルを分離するマスクを
除去して、図3に示すように大きな金属薄膜を保持する
ための銅のフレーム部材を使用している。このIRVB
により検出可能面積が約60%増え、またこのために空
間分解能を約25%上げることができる。
IR imaging video bolometer (I
RVB) uses a copper frame member to remove the mask that separates the pixels from the IRIB and to hold the large metal film as shown in FIG. This IRVB
This increases the detectable area by about 60%, which in turn increases the spatial resolution by about 25%.

【0020】上記で述べたマスク上の凹部分の問題は、
銅フレーム部材のエッジ近くでネジによってしっかりと
銅フレームと金属膜とを固定し密に接触させることによ
って解消され、更にインジウム・ガスケットを使用する
ことにより更なる改良が可能である。
The problem of the concave portion on the mask described above is
This can be overcome by fixing the copper frame and the metal film in tight contact with the screw near the edge of the copper frame member, and further improvement is possible by using an indium gasket.

【0021】また、銅マスクにより金属薄膜へ影ができ
ることも防止できる。またこのIRVBは、実験状況に
応じてボロメータピクセルのサイズや数を変えられるの
で、感度を信号強度に合わせることができるという実験
上の柔軟性をも備えている。
Further, it is possible to prevent a shadow from being formed on the metal thin film by the copper mask. Further, this IRVB has the flexibility in experiments that the sensitivity can be adjusted to the signal strength because the size and number of bolometer pixels can be changed according to the experimental situation.

【0022】またもう一つの特徴として、IRIBのイ
メージが分割されたものであるのに対し、IRVBでは
プラズマ放射光の全ビデオ像を得ることができる。
Another feature is that the IRIB image is a divided image, while the IRVB can obtain a full video image of the plasma radiation.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】(1)本発明の構成 本発明の赤外線イメージングビデオボロメーターの全体
構成は、図2に示された構成と同じである。即ち、真空
容器1はプラズマを閉じ込める。真空容器1には光シー
ルドチューブ3が取り付けられ、プラズマからの光反射
を避けるために炭素のスプレイで内面が黒化されてい
る。チューブ3の端面には赤外線真空窓5設けられ、真
空容器1に取り付けられている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (1) Configuration of the Invention The overall configuration of the infrared imaging video bolometer of the present invention is the same as the configuration shown in FIG. That is, the vacuum container 1 confines the plasma. A light shield tube 3 is attached to the vacuum container 1, and its inner surface is blackened by spraying carbon to avoid light reflection from plasma. An infrared vacuum window 5 is provided on the end surface of the tube 3 and is attached to the vacuum container 1.

【0024】赤外線真空窓5とは反対側のチューブ3の
端面にはプレート7が設けられていて、ピンホール或い
はスリット9が形成されており、プラズマからの光をチ
ューブ3に取り入れている。また、プレート7に平行に
フレーム部材(マスク)11が設けられ、プレート9か
ら離隔してチューブ3に取り付けられている。このフレ
ーム部材11は薄膜を有している。
A plate 7 is provided on the end surface of the tube 3 on the side opposite to the infrared vacuum window 5, and a pinhole or slit 9 is formed so that light from the plasma is introduced into the tube 3. A frame member (mask) 11 is provided in parallel with the plate 7, and is attached to the tube 3 while being separated from the plate 9. The frame member 11 has a thin film.

【0025】赤外線ビデオカメラ13が、赤外線真空窓
5に近接して設けられ、赤外線真空窓5を介してフレー
ム部材11の薄膜を眺めることができるようになってい
る。
An infrared video camera 13 is provided in the vicinity of the infrared vacuum window 5 so that the thin film of the frame member 11 can be viewed through the infrared vacuum window 5.

【0026】IRVBの金属薄膜27を含むフレーム部
材11の構成を図3、図4を参照して説明する。
The structure of the frame member 11 including the IRVB thin metal film 27 will be described with reference to FIGS.

【0027】a.図4に示す丸い銅フレーム21は、前
面フレーム21aと裏面フレーム21bの2つのフレー
ムからなり、下記のような穴を持つ無酸化銅で作られて
いている。また、このフレーム21には金属薄膜27よ
り小さなサイズを有する四角い窓29が設けられてい
る。
A. The round copper frame 21 shown in FIG. 4 is composed of two frames, a front frame 21a and a back frame 21b, and is made of non-oxidized copper having the following holes. Further, the frame 21 is provided with a square window 29 having a size smaller than that of the metal thin film 27.

【0028】・軽いシールドのフレーム21を取り付け
るためにエッジに沿って4つの穴、即ち組立ボルト用ホ
ール23を等間隔に配置している。
Four holes, that is, holes 23 for assembling bolts, are arranged at equal intervals along the edge for mounting the frame 21 of the light shield.

【0029】・ボルトを固く締めるためにフレーム21
の上下左右各辺には4つの穴、固定ボルト用ホール25
が開けられている。これによって、金属薄膜27が固定
され、金属薄膜27とフレーム21間に十分な熱的接触
をもたらされる。
Frame 21 for tightening the bolts
4 holes on each side of top, bottom, left and right, hole for fixing bolt 25
Has been opened. This fixes the metal thin film 27 and provides sufficient thermal contact between the metal thin film 27 and the frame 21.

【0030】・金属薄膜27の両側で空気圧が異ならな
いようにするため、空気の通り抜けができるように、図
5、図6に示すようなベント・ホール31が作成されて
いる。その際、ベントホール(穴)31から直接光が通
過せず、どちらの面から見てもベントホール31を介し
て他方を見ることのできないよう、その構造は断面から
見ると図6に示すようにクランク型となっている。
To prevent the air pressure from differing on both sides of the metal thin film 27, a vent hole 31 as shown in FIGS. 5 and 6 is formed so that the air can pass through. At that time, since the light does not directly pass through the vent hole (hole) 31 and the other cannot be seen through the vent hole 31 when viewed from either side, the structure is as shown in FIG. 6 when viewed from a cross section. It is a crank type.

【0031】・フレーム21の中央部分には四角形の大
きな窓29が開けてあり、そのサイズは金属薄膜27よ
りわずかに小さいものとなっている。
A large rectangular window 29 is opened in the center of the frame 21, and its size is slightly smaller than that of the metal thin film 27.

【0032】b.金属薄膜27は厚み1〜4μmで、材
質はアルミニウム、金、その他の金属が使用可能であ
る。
B. The metal thin film 27 has a thickness of 1 to 4 μm and can be made of aluminum, gold, or another metal.

【0033】c.ステンレス・スチールのボルト、ワッ
シャー、ナットは、2つの銅フレーム21の間に金属薄
膜27を挟み、固定するために使用する。
C. Stainless steel bolts, washers, and nuts are used to sandwich and secure the metal film 27 between the two copper frames 21.

【0034】d.IRカメラ13側の金属薄膜27とフ
レーム21は、金属薄膜27の放射率を高くするために
炭素スプレーで黒く塗装し、測定感度を改善している。
D. The metal thin film 27 and the frame 21 on the IR camera 13 side are painted black with carbon spray in order to increase the emissivity of the metal thin film 27 to improve the measurement sensitivity.

【0035】e.金属薄膜27とフレーム21間に使用
するインジウム・ガスケットは、オプションとして金属
薄膜27とフレーム21の熱的接触を改善するために使
用する。
E. The indium gasket used between the metal film 27 and the frame 21 is optionally used to improve the thermal contact between the metal film 27 and the frame 21.

【0036】(2)本発明の作用 a.IRカメラの測定温度から入射パワーを決定する方
法 時間の関数における金属薄膜27上の入射パワー分布
は、金属薄膜27に対する熱拡散方程式を解くためのF
TCS(Forward Time Center Space)アルゴリズムを使
用し、下記の方程式を用いて、IRカメラで測定した時
間関数における金属薄膜27上の温度分布によって求め
られる。
(2) Operation of the present invention a. Method for Determining Incident Power from Measured Temperature of IR Camera The incident power distribution on the metal thin film 27 as a function of time is F for solving the thermal diffusion equation for the metal thin film 27.
Using the TCS (Forward Time Center Space) algorithm, the following equation is used to obtain the temperature distribution on the metal thin film 27 in the time function measured by the IR camera.

【0037】[0037]

【数3】 [Equation 3]

【0038】各パラメータは下記の通りである。Each parameter is as follows.

【0039】x−金属薄膜27上の水平方向の位置 y−金属薄膜27上の垂直方向の位置 t−時間 Prad (x,y,t)−金属薄膜27に対して入射される放射
パワー tf −金属薄膜27の厚み k−金属薄膜27の熱伝導性 l−ボロメーターピクセルの幅 Δt−IRカメラ13の各フレームの時間間隔 T(x,y,t)−金属薄膜27の温度 κ−熱拡散係数 FTCSアルゴリズムに対する安定解の条件は、
X-horizontal position on metal thin film 27 y-vertical position on metal thin film t-time P rad (x, y, t) -radiation power t incident on metal thin film 27 f- thickness of metal thin film 27-heat conductivity of metal thin film 27-width of bolometer pixel Δt-time interval T (x, y, t) of each frame of IR camera 13-temperature of metal thin film 27- The conditions for a stable solution for the thermal diffusion coefficient FTCS algorithm are:

【0040】[0040]

【数4】 [Equation 4]

【0041】で与えられ、lbol の最小値を決定するた
めに使用する。本ビデオボロメーターの各ピクセルを構
成するIRピクセルのイメージの温度測定は、ノイズを
減らし感度を高めるために平均化することが可能であ
る。
And is used to determine the minimum value of l bol . The temperature measurements of the image of the IR pixels that make up each pixel of the video bolometer can be averaged to reduce noise and increase sensitivity.

【0042】もし必要であれば、信号レベルにより時間
分解能と空間分解能を犠牲にすることで、SN比を改善
するためにピクセルサイズlbol を最小値以上に大きく
することもできる。このIRVB独自の方法は、銅マス
クにより空間分解能が固定されているIRIBより、必
要に応じた柔軟な使い方が出来る。
If necessary, the pixel size l bol can be made larger than the minimum value in order to improve the SN ratio by sacrificing the temporal resolution and the spatial resolution depending on the signal level. This method unique to IRVB can be used more flexibly as needed than IRIB whose spatial resolution is fixed by a copper mask.

【0043】b.金属薄膜27の較正 組立行程でtf がIRカメラ13側のマスク表面を黒化
することでκとkが、非均一となる可能性があるため、
信号較正が必要となる。(3)式は(2)式の形式に書
き直すことができる。
B. Since t f may blacken the mask surface on the IR camera 13 side in the calibration assembly process of the metal thin film 27, κ and k may become non-uniform.
Signal calibration is required. Equation (3) can be rewritten in the form of equation (2).

【0044】[0044]

【数5】 [Equation 5]

【0045】従って、較正は各ボロメーターピクセルに
対する2つの量を決定することで行われる。この較正
は、各IRピクセルに対してκ(x,y)とτ(x,
y)を決定し、ボロメーターピクセルを構成するIRピ
クセル上の量を平均化することで最大の効果を発揮す
る。熱時間τは金属薄膜27を急速に熱し、熱源が移動
した後、各ピクセルの温度遅れ時間を測定することによ
って測定される。各IRピクセルの感度Kは、一定の強
さの光源で金属薄膜27を熱し、熱平衡状態
Therefore, calibration is done by determining two quantities for each bolometer pixel. This calibration is done for each IR pixel by κ (x, y) and τ (x,
The maximum effect is achieved by determining y) and averaging the quantities on the IR pixels that make up the bolometer pixel. The heat time τ is measured by rapidly heating the metal thin film 27 and measuring the temperature delay time of each pixel after the heat source moves. The sensitivity K of each IR pixel is such that the metal thin film 27 is heated by a light source having a constant intensity, and a thermal equilibrium state occurs

【0046】[0046]

【数6】 [Equation 6]

【0047】における温度分布を測定することにより相
対的に測定できる。フレーム温度に関する金属薄膜27
上の温度分布は、(6)式によって与えられる完全に一
様な金属薄膜27の温度分布と比較される。
It can be relatively measured by measuring the temperature distribution in. Metal thin film for flame temperature 27
The temperature distribution above is compared with the temperature distribution of the perfectly uniform metal film 27 given by equation (6).

【0048】[0048]

【数7】 [Equation 7]

【0049】金属薄膜27の端は、それぞれx=±a/
2,y=±b/2であり、Sheatは金属薄膜27上の一
定の熱源からのパワー密度である。Sheatは分からない
ので、この温度分布に対して測定された温度の比が、各
ピクセルの相対的較正を行っている薄膜上で、IRカメ
ラ13の中心ピクセルに対して一般化される。
The edges of the metal thin film 27 are x = ± a /
2, y = ± b / 2, and S heat is the power density from a constant heat source on the metal thin film 27. Since S heat is not known, the ratio of the measured temperature to this temperature distribution is generalized to the central pixel of the IR camera 13 on the thin film making the relative calibration of each pixel.

【0050】[0050]

【数8】 [Equation 8]

【0051】He−Neレーザーからの出力パワーPla
ser が既知の場合、レーザー光のガウス分布は(9)式
となる。
Output power Pla from the He-Ne laser
When ser is known, the Gaussian distribution of laser light is given by equation (9).

【0052】[0052]

【数9】 [Equation 9]

【0053】ここで、α,βはそれぞれx,y方向のレ
ーザービームの半径を示し、これは薄膜の中心をレーザ
ーで熱した場合の値である。薄膜27の初期時間をt=
0とした場合、薄膜27の中心から離れた箇所で得られ
る温度変化Tlaser は、
Here, α and β represent the radii of the laser beams in the x and y directions, respectively, and are the values when the center of the thin film is heated by the laser. The initial time of the thin film 27 is t =
When set to 0, the temperature change T laser obtained at a position away from the center of the thin film 27 is

【0054】[0054]

【数10】 [Equation 10]

【0055】となり、ここでα,β≪a,bである。熱
平衡状態(t=∞)に達した薄膜27での熱的限界値を
とり、IRピクセル上で積分し、その面積によって分割
すると、IRピクセルの中心温度Tcenterが求まる。
Where α, β << a, b. When the thermal limit value of the thin film 27 that has reached the thermal equilibrium state (t = ∞) is taken, integrated on the IR pixel, and divided by the area, the center temperature T center of the IR pixel is obtained.

【0056】[0056]

【数11】 [Equation 11]

【0057】Kcenterについて(11)式を解くと、絶
対較正された、金属薄膜27に吸収される熱量K(x,
y)が次式のように決定される。
Solving the equation (11) for K center , the amount of heat K (x,
y) is determined by the following equation.

【0058】[0058]

【数12】 [Equation 12]

【0059】(3)本発明が示す結果 上記の式を用いて、金属薄膜27上の入射パワーを与え
るFTCSアルゴリズムの精度を調べるために試験を行
なった。
(3) Results Presented by the Present Invention Using the above equation, a test was conducted to examine the accuracy of the FTCS algorithm that gives the incident power on the metal thin film 27.

【0060】まず金属薄膜27上のレーザー入射パワー
は(9)式によって与えられたガウス分布でモデル化さ
れる。Plaser =20mW,α=β=4mmのときの結
果を図7の実線に示す。このモデルの入射パワー密度
は、典型的なLHDプラズマ(10mW/cm2 )から
予想される値である。次に結果として得られた金属薄膜
27の温度分布変化は各要素に対してフーリエ級数の項
(m,l)をそれぞれ70までとしたとき、(10)式
を用いて計算される。
First, the laser incident power on the metal thin film 27 is modeled by the Gaussian distribution given by the equation (9). The solid line in FIG. 7 shows the results when P laser = 20 mW and α = β = 4 mm. The incident power density of this model is the value expected from a typical LHD plasma (10 mW / cm 2 ). Then, the resulting temperature distribution change of the metal thin film 27 is calculated using the equation (10) when the Fourier series terms (m, l) are up to 70 for each element.

【0061】本研究では均一な金の薄膜27を想定して
計算を行っている(a=b=9cm,tf =1μm,k
=3.16W/cm℃,κ=1.27cm2 /s)。時
間分解能Δt=4msのときの最初の40msの金属薄
膜27の温度分布変化の例を図8に示す。縦軸は常温か
らの温度変化を示す。この場合の温度レベルは現在のI
Rカメラ13の精度(0.025−0.1℃)よりずっ
と高い。
In the present study, calculation is performed assuming a uniform gold thin film 27 (a = b = 9 cm, t f = 1 μm, k
= 3.16 W / cm ° C., κ = 1.27 cm 2 / s). FIG. 8 shows an example of changes in the temperature distribution of the metal thin film 27 in the first 40 ms when the time resolution Δt = 4 ms. The vertical axis represents the temperature change from room temperature. The temperature level in this case is the current I
It is much higher than the accuracy of the R camera 13 (0.025-0.1 ° C).

【0062】最後に温度分布変化を用いると、入射パワ
ー分布は(4)式で与えられたlbo l =1mmを用いて
(3)式を用いたFTCSアルゴリズムで計算される。
結果は図7の破線に示している。この計算により求めら
れた分布と、もとのガウス分布とのピークにおける差は
6%以下である。このことはFTCSアルゴリズムによ
って熱射パワー分布を正確に再現することができるとい
うことを示す。
Finally, when the temperature distribution change is used, the incident power distribution is calculated by the FTCS algorithm using the equation (3) using l bo l = 1 mm given by the equation (4).
The results are shown by the broken line in FIG. The peak difference between the distribution obtained by this calculation and the original Gaussian distribution is 6% or less. This shows that the thermal spray power distribution can be accurately reproduced by the FTCS algorithm.

【0063】[0063]

【発明の効果】IRIBと比較した場合、IRVBは下
記のような利点を持つ。
When compared to IRIB, IRVB has the following advantages.

【0064】1)マスク上のピクセル用の穴の端部分が
薄膜に対して影となることや、マスクが湾曲しているた
めに薄膜とマスクとの接触が不完全であるような、マス
クに不随する問題が存在しない。
1) For a mask in which the end portions of the pixel holes on the mask are shaded with respect to the thin film and the contact between the thin film and the mask is incomplete due to the curved mask. There are no incidents.

【0065】2)空間分解能が約25%改善される。2) The spatial resolution is improved by about 25%.

【0066】3)FTCSアルゴリズムを使って放射光
パワーのビデオイメージが得られる。
3) A video image of the emitted light power is obtained using the FTCS algorithm.

【0067】4)プラズマ放射光の質的リアルタイムビ
デオイメージが得られる。
4) A qualitative real-time video image of the plasma radiation is obtained.

【0068】5)プラズマ実験の各種パラメーターに応
じたデータの要望に対して、柔軟性のあるピクセルサイ
ズを選択できる。
5) A flexible pixel size can be selected to meet the data needs according to various parameters of the plasma experiment.

【0069】6)SN比が2〜5倍改善される。6) The SN ratio is improved by 2 to 5 times.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来の赤外線イメージングボロメーター(IR
IB)のマスクと薄膜の配置を示す図。
FIG. 1 Conventional infrared imaging bolometer (IR
The figure which shows arrangement | positioning of the mask and thin film of IB).

【図2】従来のIRIBと本発明の赤外線イメージング
ビデオボロメーター(IRVB)の全体構成を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration of a conventional IRIB and an infrared imaging video bolometer (IRVB) of the present invention.

【図3】本発明の赤外線イメージングビデオボロメータ
ー(IRVB)のマスクと薄膜の配置を示す平面図であ
り、FTCSアルゴリズム幾何図形的配列を示す図。
FIG. 3 is a plan view showing an arrangement of a mask and a thin film of an infrared imaging video bolometer (IRVB) of the present invention, showing an FTCS algorithm geometrical arrangement.

【図4】本発明の赤外線イメージングビデオボロメータ
ー(IRVB)のマスクと薄膜の配置を示す斜視図であ
る。
FIG. 4 is a perspective view showing an arrangement of a mask and a thin film of an infrared imaging video bolometer (IRVB) of the present invention.

【図5】本発明の赤外線イメージングビデオボロメータ
ー(IRVB)の空気の通り抜け穴を示す分解図。
FIG. 5 is an exploded view showing an air passage hole of the infrared imaging video bolometer (IRVB) of the present invention.

【図6】本発明の赤外線イメージングビデオボロメータ
ー(IRVB)の空気の通り抜け穴を示す断面図。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an air passage hole of the infrared imaging video bolometer (IRVB) of the present invention.

【図7】入射パワー密度プロファイル(実線)とFTC
Sアルゴリズム計算結果(破線)のガウスモデルのグラ
フ。
FIG. 7: Incident power density profile (solid line) and FTC
The graph of the Gaussian model of the S algorithm calculation result (broken line).

【図8】時間をパラメーターとした薄膜温度分布の変化
を示すグラフであり、このデータは図7に結果が示され
ているFTCSアルゴリズム計算のために使用される。
FIG. 8 is a graph showing the change in thin film temperature distribution with time as a parameter, this data being used for the FTCS algorithm calculations whose results are shown in FIG. 7.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空容器 3…光シールドチューブ 5…赤外線真空窓 7…プレート 9…ピンホール或いはスリット 11…フレーム部材 13…赤外線ビデオカメラ 21…銅フレーム 21a…前面フレーム 21b…裏面フレーム 23…組立ボルト用ホール 25…固定ボルト用ホール 27…金属薄膜 29…窓 31…ベント・ホール 1 ... Vacuum container 3 ... Optical shield tube 5 ... Infrared vacuum window 7 ... Plate 9 ... Pinhole or slit 11 ... Frame member 13 ... Infrared video camera 21 ... Copper frame 21a ... Front frame 21b ... Back frame 23 ... Assembly bolt holes 25 ... Hole for fixing bolt 27 ... Metal thin film 29 ... windows 31 ... Bent Hall

フロントページの続き (56)参考文献 電気学会研究会資料 光応用・視覚研 究会,日本,(社)電気学会,1999年 9月29日,LAV−99−7〜9・11〜 17,23〜26 Rev.Sci.Instrum., 1999年,vol.70 No.1 par t2,255〜259 Rev.Sci.Instrum., 1997年,vol.68 No.1 par t2,766〜769 Fusioin Engineeri ng and Design,1997年, vol.34/35,301〜305 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 1/02 G01J 1/42 G01J 5/48 G01V 8/12 H01L 27/14 H04N 5/30 - 5/335 Front page continuation (56) References The Institute of Electrical Engineers of Japan Material Optical and Visual Research Association, Japan, The Institute of Electrical Engineers of Japan, September 29, 1999, LAV-99-7-9 / 11-17,23 ~ 26 Rev. Sci. Instrum. 1999, vol. 70 No. 1 part 2,255-259 Rev. Sci. Instrum. 1997, vol. 68 No. 1 part 2,766 to 769 Fusioin Engineer and design, 1997, vol. 34/35, 301-305 (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01J 1/02 G01J 1/42 G01J 5/48 G01V 8/12 H01L 27/14 H04N 5/30-5 / 335

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマが閉じ込められる真空容器と、 前記真空容器に取り付けられ、プラズマからの光反射を
避けるために炭素のスプレイで内面が黒化された光シー
ルドチューブと、 前記チューブの端面に設けられ、前記真空容器に取り付
けられた赤外線真空窓と、 前記赤外線真空窓とは反対側の前記チューブの端面に設
けられたプレートであって、ピンホール或いはスリット
を有していて、プラズマからの光を取り入れるプレート
と、 前記プレートに平行に設けられ、前記プレートから離隔
して前記チューブに取り付けられ、薄膜を有するフレー
ム部材と、 前記赤外線真空窓を介して前記フレーム部材の薄膜を眺
める赤外線カメラと、を有し、 前記フレーム部材は、 金属薄膜と、 熱伝導物質からなる2つのフレームであって、各フレー
ムには前記金属薄膜のサイズよりわずかに小さな一つの
窓が設けられていて、前記金属薄膜が前記窓を覆うよう
に前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ
側に露出するように保持されているフレームと、 を具備することを特徴とする赤外線イメージングビデオ
ボロメーター。
1. A vacuum container in which plasma is confined, a light shield tube attached to the vacuum container, the inner surface of which is blackened by carbon spray to avoid light reflection from the plasma, and which is provided on an end surface of the tube. An infrared vacuum window attached to the vacuum container, and a plate provided on the end surface of the tube on the side opposite to the infrared vacuum window, having a pinhole or slit, A plate for taking in, a frame member provided parallel to the plate, attached to the tube apart from the plate, and having a thin film, and an infrared camera for viewing the thin film of the frame member through the infrared vacuum window, The frame member includes two frames made of a metal thin film and a heat conductive material. The arm have slightly smaller one <br/> windows are provided than the size of the metal thin film, the metal thin film is sandwiched between the frame so as to cover the window, the plasma side and the infrared camera
An infrared imaging video bolometer, comprising: a frame held open to the side ;
【請求項2】 前記フレーム部材が、前記金属薄膜の両
側の圧力を調整すると共に、光をブロックすることがで
きる空洞を更に有することを特徴とする請求項1に記載
の赤外線イメージングビデオボロメーター。
2. The infrared imaging video bolometer according to claim 1, wherein the frame member further has a cavity capable of adjusting pressure on both sides of the metal thin film and blocking light.
【請求項3】 金属薄膜と、 熱伝導物質からなる2つのフレームであって、各フレー
ムには前記金属薄膜のサイズよりわずかに小さな一つの
窓が設けられていて、前記金属薄膜が前記窓を覆うよう
に前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ
側に露出するように保持されているフレームと、 を具備することを特徴とする赤外線イメージングビデオ
ボロメーター用フレーム部材。
3. A metal thin film and two frames made of a heat conductive material, each frame being provided with a single window slightly smaller than the size of the metal thin film. Is sandwiched by the frame so as to cover the window , the plasma side and the infrared camera
A frame member for an infrared imaging video bolometer, comprising: a frame held so as to be exposed to the side .
【請求項4】 前記フレームが、前記金属薄膜の両側の
圧力を調整すると共に、光をブロックすることができる
空洞を更に有することを特徴とする請求項3に記載の
外線イメージングビデオボロメータ用フレーム部材。
4. The red of claim 3, wherein the frame further has a cavity capable of regulating pressure on both sides of the metal thin film and blocking light.
Frame member for outside line imaging video bolometer .
【請求項5】 請求項1の赤外線イメージングビデオボ
ロメーターを用いて前記フレーム部材の薄膜温度分布を
測定するステップと、 FTCSアルゴリズムを用いて前記金属薄膜上の入射パ
ワー分布を求めるステップと、を具備する赤外線イメー
ジングビデオボロメーターを用いた入射パワー分布測定
方法。
5. A method of measuring a thin film temperature distribution of the frame member using the infrared imaging video bolometer of claim 1, and a step of obtaining an incident power distribution on the metal thin film using an FTCS algorithm. Method for measuring incident power distribution using infrared imaging video bolometer.
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Rev.Sci.Instrum.,1997年,vol.68 No.1 part2,766〜769
Rev.Sci.Instrum.,1999年,vol.70 No.1 part2,255〜259
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