JP4696250B2 - Infrared imaging video bolometer, metal thin film for infrared imaging video bolometer, and frame member for infrared imaging video bolometer - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線イメージングビデオボロメーター、赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体、及び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に関する。 The present invention relates to an infrared imaging video bolometer, a metal thin film for an infrared imaging video bolometer, and a frame member for an infrared imaging video bolometer.
赤外線イメージングボロメーターは、入射エネルギーのボロメーター計測を目的としており、その測定領域は可視、紫外、極端紫外及び、高エネルギー粒子束を含む広い波長領域が想定されている。例えば、核融合プラズマ実験においては、このような輻射エネルギー束は非常に重要な測定対象である。 The infrared imaging bolometer is intended for bolometer measurement of incident energy, and its measurement region is assumed to be a wide wavelength region including visible, ultraviolet, extreme ultraviolet, and high energy particle bundles. For example, in a fusion plasma experiment, such a radiant energy flux is a very important measurement object.
赤外線イメージングボロメーター(以下、IRIBという)の基本原理は次の通りである。まず、輻射や粒子のエネルギーを金属薄膜で吸収し、その金属薄膜の温度上昇をIR検出器により非接触で計測する。そして、得られた薄膜の温度上昇から入射パワーを計算する。 The basic principle of an infrared imaging bolometer (hereinafter referred to as IRIB) is as follows. First, radiation and particle energy are absorbed by a metal thin film, and the temperature rise of the metal thin film is measured in a non-contact manner by an IR detector. And incident power is calculated from the temperature rise of the obtained thin film.
IRIB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(非特許文献1、非特許文献2)。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非特許文献3で最初に提案されている。又、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を利用した2次元のIRIBの概念は、非特許文献4により開示されている。 IRIB was created as a detector that measures the amount of plasma radiation from the temperature change of a metal thin film (Non-patent Document 1, Non-patent Document 2). A method of using an IR camera for measuring the temperature change of a thin film was first proposed in Non-Patent Document 3 describing the relationship between the thin film temperature, wavelength, and S / N ratio during operation. Non-patent document 4 discloses the concept of a two-dimensional IRIB that uses a two-dimensionally divided matrix to project the temperature rise of the absorbent material.
そして、非特許文献5,特許文献1によりこの金属薄膜の2次元アレイへの進展がさらになされて、設計、組立、及び実験テストが行われ、IRIBとして認知されている(非特許文献6)。 Further, according to Non-Patent Document 5 and Patent Document 1, this metal thin film has been further developed into a two-dimensional array, designed, assembled, and experimentally tested, and recognized as IRIB (Non-Patent Document 6).
他の多くのボロメータ検出器と同様にIRIBにも以下のような性能基準がある。
(1)波長一様性、すなわち、入射した輻射パワーに対して、その種類(波長)によらない反応性を持つこと。
Like many other bolometer detectors, IRIB has the following performance criteria:
(1) Wavelength uniformity, that is, reactivity independent of the type (wavelength) of incident radiation power.
(2)感度、すなわち、可能な限り小さな入射パワーに対して良好な感度を持つこと。
(3)早い時間応答性を持つこと。
(4)良好な空間分解能を有すること、すなわち、検出領域の最小化ができること。
(2) Sensitivity, that is, good sensitivity to the smallest possible incident power.
(3) Have fast time responsiveness.
(4) It has good spatial resolution, that is, the detection area can be minimized.
(5)検出器間でのクロストークがないこと。
最初に実現された多チャンネルIRIB100については、特許文献1に開示されている。ここでは、図11(a)に示すようにフレーム部材110は、2次元アレイ状に複数の孔101を開けてホールパターンが設けられた2枚の同一形状の金属マスク102間で薄膜103を挟み、両金属マスク102の孔101から前記薄膜103の両面をそれぞれ露出させている。そして、図11(b)に示すように、フレーム部材110の片面は、ピンホール112又はスリットを介してプラズマに面している。一方、IRカメラ120は、表面を黒化されたフレーム部材110の裏面を観測し、薄膜103表面から入射した放射により生じた各ピクセルの温度上昇を観測する。金属マスク102は、各ピクセルに対するヒートシンクの役割を果たし、サイズや厚さ、熱伝導特性により各ピクセルの係数(すなわち、感度)Kと熱拡散時間τが決定される。薄膜103の厚みtfは想定される最高エネルギー光子を吸収できるように決定される。薄膜103の直径は、各ピクセルの熱拡散時間τがカメラのフレーム間隔Δtに合うように決定される。
(5) No crosstalk between detectors.
The multi-channel IRIB 100 realized first is disclosed in Patent Document 1. Here, as shown in FIG. 11A, the
ピクセルの直径dpix とのその熱拡散時間τとの関係は(1)式によって与えられる。 The relationship between the pixel diameter dpix and its thermal diffusion time τ is given by equation (1).
なお、仮に、熱拡散時間τの値が大きすぎる場合は、測定時間間隔が十分ではなく、次回の測定前に前回吸収された熱量が基準値までに低下しない問題が生ずるが、反対に熱拡散時間τの値が小さすぎれば熱拡散は急速に起こりすぎることになる。 If the value of the thermal diffusion time τ is too large, the measurement time interval is not sufficient, and there is a problem that the amount of heat absorbed last time before the next measurement does not decrease to the reference value. If the value of time τ is too small, thermal diffusion will occur too quickly.
又、IRIBの空間分解能はピンホールとカメラの幾何学的配置によって決定される。
各ピクセルは、出力パワーが既知で、ある周波数でチョッパーされたHe−Neレーザ光を黒化された薄膜面へ入射し、熱拡散時間τと熱拡散係数κの値を得ることで信号較正ができる。各ピクセルへの放射光のパワーは(2)式で与えられる。
The spatial resolution of IRIB is determined by the pinhole and camera geometry.
Each pixel has a known output power, and a He-Ne laser beam choppered at a certain frequency is incident on the blackened thin film surface, and the signal calibration is performed by obtaining the values of the thermal diffusion time τ and the thermal diffusion coefficient κ. it can. The power of the emitted light to each pixel is given by equation (2).
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。第一の問題は、金属マスクに凹みがあるとピクセル端部で金属マスクと金属薄膜の接触が十分でなく、マスクがヒートシンクの役割を果たさずに、隣接するピクセル間で熱がクロストークのように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。第二の問題は、マスクが厚みを持つため、ピクセル端部の一部分がマスクの縁の部分の影となることである。第三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。 In the conventional bolometer as described above, various problems arise from a matrix-like mask separated into segments. The first problem is that if there is a dent in the metal mask, there is not enough contact between the metal mask and the metal thin film at the edge of the pixel, and the mask does not act as a heat sink, and the heat is like crosstalk between adjacent pixels. Leaking beyond the mask to pixels that originally have no signal. The second problem is that part of the pixel edge becomes a shadow of the edge of the mask because the mask has a thickness. The third problem arises from the above shadow, but when spraying the carbon spray used for blackening on the metal thin film, the surface of the metal thin film and the copper mask on it is not flush. The carbon film is not uniform.
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 separated into segments, and a part of the metal thin film covering the mask becomes a structure that cannot be used as a shadow of the mask, so that the spatial resolution is lowered.
次に、非特許文献7、及び非特許文献8に開示された赤外線イメージングビデオボロメーター(以下、IRVBという)が提案されている。この内容は、特許文献2により既に特許となっている。IRVBは、IRIBからピクセルを分離するマスクを取り除き、図12に示すように大きな金属薄膜202を保持するための銅のフレーム200を使用するように改良が加えられたものである。特許文献2のIRVBでは、従来のIRIBよりも検出可能面積が約60%増え、空間分解能を約25%上げることができた。上記で述べたマスク上の凹部分の問題は、銅のフレーム200とフレーム200のエッジ近くでネジ(図示しない)によって確固に固定し、銅フレームを金属薄膜と密に接触させることによって解消され、インジウム・ガスケットの使用によりさらなる改良が可能である。
Next, infrared imaging video bolometers (hereinafter referred to as IRVB) disclosed in Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8 have been proposed. This content is already patented in
又、IRIBにおける銅マスクによる金属薄膜への影も防ぐことができる。さらに、IRVBは感度を信号強度に適応させるために、実験の状況によりボロメーターピクセルのサイズや数を変えられるという実験上の柔軟性を備えている。加えて、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フルビデオイメージが得られるという特徴がある。
しかし、従来のIRVBでは、下記の問題があることが分かった。第一には、入射パワーが局所的なボロメーターピクセルの温度のみの単純な関数になっておらず、温度拡散を考慮する必要がある。この温度拡散は隣接するピクセルとの温度差から計算される。しかし、入射パワーによる温度上昇に比べ、隣接するピクセルとの温度差は小さい。このため、入射パワーの計算の際に近い値どうしの引き算が含まれ誤差の要因となる。この結果、感度が低下する問題がある。 However, it has been found that the conventional IRVB has the following problems. First, the incident power is not a simple function of local bolometer pixel temperature alone, and temperature diffusion needs to be considered. This temperature diffusion is calculated from the temperature difference between adjacent pixels. However, the temperature difference between adjacent pixels is smaller than the temperature rise due to incident power. For this reason, subtraction between values close to the calculation of the incident power is included, which causes an error. As a result, there is a problem that sensitivity is lowered.
第二には、金属薄膜が銅フレームに固定されているため、入射パワーの多くがフレームを通して損失してしまう。このため、入射パワーのうち薄膜の温度上昇に費やされない部分が多くなる。又、高エネルギーの光子を吸収するために金属薄膜は十分な厚さ(10ミクロン程度)が必要であるが、薄膜を厚くすると熱伝導による損失が増大する。これによってもIRVBの感度が低下する。 Second, since the metal thin film is fixed to the copper frame, much of the incident power is lost through the frame. For this reason, the part which is not spent for the temperature rise of a thin film among incident power increases. In addition, the metal thin film needs to have a sufficient thickness (about 10 microns) in order to absorb high energy photons. However, if the thin film is made thicker, loss due to heat conduction increases. This also reduces the sensitivity of IRVB.
本発明の第1の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターを提供することにある。又、本発明の第2の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することにある。又、本発明の第3の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することにある。 It is a first object of the present invention to provide an infrared imaging video bolometer that can improve sensitivity. The second object of the present invention is to provide a metal thin film used for an infrared imaging video bolometer capable of improving sensitivity. It is a third object of the present invention to provide a frame member used in an infrared imaging video bolometer that can improve sensitivity.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、プラズマが閉じ込められる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黒化された光シールドチューブと、
前記光シールド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光シールドチューブの端面に設けられるとともに、プラズマからの光を取り入れるピンホール或いはスリットを有しているプレートと、
前記プレートに平行になるように前記光シールドチューブ内に取り付けられた金属薄膜体と、
前記赤外線真空窓を介して前記薄膜体を眺める赤外線ビデオカメラと、を有する赤外線イメージングボロメータにおいて、
前記金属薄膜体は、熱絶縁層を形成する第1金属薄膜と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層を形成する第2金属薄膜とを含み、第1金属薄膜のみにより第2金属薄膜を支持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を要旨とするものである。
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is attached to a vacuum vessel in which plasma is confined, and is blackened to avoid light reflection from the plasma;
An infrared vacuum window provided on the end face of the light shield tube and attached to the vacuum vessel;
A plate having a pinhole or slit for taking in light from plasma, provided on the end face of the light shield tube opposite to the infrared vacuum window;
A metal thin film body mounted in the light shield tube so as to be parallel to the plate;
Infrared imaging bolometer having an infrared video camera for viewing the thin film through the infrared vacuum window,
The metal thin film body includes a first metal thin film that forms a heat insulating layer, and a second metal thin film that is stacked on the heat insulating layer and forms a plurality of radiation absorbing layers arranged with gaps therebetween. An infrared imaging video bolometer including the second metal thin film supported only by the first metal thin film is included.
請求項2の発明は、請求項1において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、請求項1において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項において、前記金属薄膜体が、熱伝導物質からなる2つのフレームにより挟まれた状態で前記光シールドチューブに対して取付けされ、前記各フレームには前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな1つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うように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て、前記金属薄膜体と前記2つのフレームによりフレーム部材が構成されていることを特徴とする。
A third aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, in the thermal insulating layer, a region where the radiation absorbing layer is laminated is removed, and a part of the radiation absorbing layer is exposed.
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the metal thin film body is attached to the light shield tube while being sandwiched between two frames made of a heat conductive material. Each frame is provided with one window slightly smaller than the size of the metal thin film body, and the metal thin film body is held so as to be exposed to the plasma side and the infrared camera side so as to cover the window. The metal thin film body and the two frames constitute a frame member.
請求項5の発明は、熱絶縁層を形成する第1金属薄膜と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層を形成する第2金属薄膜とを含み、第1金属薄膜のみにより第2金属薄膜を支持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金属薄膜体を要旨とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a first metal thin film that forms a heat insulating layer, and a second metal thin film that is stacked on the heat insulating layer and forms a plurality of radiation absorbing layers disposed with a gap therebetween. And a metal thin film body for an infrared imaging video bolometer, characterized in that the second metal thin film is supported only by the first metal thin film .
請求項6の発明は、請求項5において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the invention, according to claim 5, in the heat insulating layer, a region where the radiation absorbing layer are stacked, and characterized in that it is thinner than the area of the heat insulating layer in which the gap is provided To do.
請求項7の発明は、請求項5において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項5乃至請求項7のいずれか1項に記載の金属薄膜体と、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、前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな1つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体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、を備えた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を要旨とするものである。
A seventh aspect of the invention is characterized in that, in the fifth aspect, in the thermal insulating layer, a region where the radiation absorbing layer is laminated is removed, and a part of the radiation absorbing layer is exposed.
The invention according to claim 8 is the metal thin film body according to any one of claims 5 to 7 and two frames made of a heat conductive material, each frame having a size of the metal thin film body. A slightly smaller window, a frame held between the metal thin film body so as to cover the window and exposed to the plasma side and the infrared camera side, and The gist of the frame member for an infrared imaging video bolometer is provided.
請求項1乃至請求項4の発明によれば、光子を吸収することにより生じた輻射吸収層での熱の移動は、熱絶縁層により抑制されるため、IRVBの感度を向上することができる。 According to the first to fourth aspects of the present invention, the heat transfer in the radiation absorbing layer caused by absorbing the photons is suppressed by the heat insulating layer, so that the sensitivity of IRVB can be improved.
請求項5乃至請求項7の発明は、IRVBの感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
請求項8の発明は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することができる。
The inventions according to claims 5 to 7 can provide a metal thin film body used in an infrared imaging video bolometer capable of improving the sensitivity of IRVB.
The invention according to claim 8 can provide a frame member used for an infrared imaging video bolometer capable of improving sensitivity.
以下、本発明を具体化した赤外線イメージングビデオボロメーターを図1〜10を参照して説明する。
図1に示すように赤外線イメージングビデオボロメーター(IRVB)10は、プラズマを閉じ込める真空容器1に設けられている。真空容器1には赤外線イメージングビデオボロメーター10の光シールドチューブ3の端部が取り付けられている。光シールドチューブ3の内面は、プラズマからの光反射を避けるために炭素のスプレイにより黒化されている。前記光シールドチューブ3において、前記端部端面には赤外線真空窓5が設けられている。赤外線真空窓5とは反対側の光シールドチューブ3の端面にはプレート7が設けられている。プレート7には、ピンホール或いはスリット9が形成されており、ピンホール或いはスリット9を介してプラズマからの光を光シールドチューブ3に取り入れている。
Hereinafter, an infrared imaging video bolometer embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, an infrared imaging video bolometer (IRVB) 10 is provided in a vacuum vessel 1 for confining plasma. An end of the light shield tube 3 of the infrared
又、光シールドチューブ3内には、前記プレート7に平行となるようにフレーム部材(マスク)11が設けられ、プレート7から離隔して配置されている。このフレーム部材11には図2に示すように金属薄膜体40が設けられている。又、真空容器1の外部には前記赤外線真空窓5に近接して赤外線ビデオカメラ13が設けられ、同赤外線ビデオカメラ13により赤外線真空窓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。
Further, a frame member (mask) 11 is provided in the light shield tube 3 so as to be parallel to the plate 7, and is spaced apart from the plate 7. The frame member 11 is provided with a metal
次に、IRVBの金属薄膜体40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。
図3に示すようにフレーム21は、前面フレーム21aと裏面フレーム21bの2つの円形をなすフレームからなり、下記のような孔を持つ熱伝導物質としての無酸化銅で作られていている。フレーム21の材質は、無酸化銅に限定されるものではなく、熱伝導性に優れた材質であるならば限定されるものではない。又、このフレーム21の中央部分には金属薄膜体40よりわずかに小さなサイズを有する四角い窓29が設けられている。なお、窓29の形状は、四角に限定されるものではなく、金属薄膜体40の外形形状に応じた形状であればよく、金属薄膜体40が例えば円形状であれば、わずかに小さなサイズて円形等の他の形状であってもよい。
Next, the structure of the frame member 11 including the IRVB metal
As shown in FIG. 3, the
又、前面フレーム21aと裏面フレーム21bには、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つの孔、即ち組立ボルト用ホール23が等間隔に配置されている。
The
さらに、ボルトを固く締めるために前面フレーム21aと裏面フレーム21bの上下左右各辺には4つの固定ボルト用ホール25が開けられている。この結果、後述する金属薄膜体40が固定され、金属薄膜体40とフレーム21間に十分な熱的接触がもたらされる。
Further, four fixing bolt holes 25 are formed in the upper, lower, left and right sides of the
さらに前面フレーム21aと裏面フレーム21bには、空気の通り抜けができるように、図3、図4に示すようなベントホール31が作成され、ベントホール31により金属薄膜体40の両側で空気圧が異ならないようにされている。
Further, a
ベントホール31は、ベントホール(孔)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4に示すようにクランク型となっている。
The
前記組立ボルト用ホール23、固定ボルト用ホール25には、ステンレス・スチールからなる図示しないボルトがステンレス・スチールからなるワッシャーを介して貫通して取着され、図示しないナットと協働して、前面フレーム21aと裏面フレーム21bの間に金属薄膜体40を挟み込みして固定する。
A bolt (not shown) made of stainless steel is attached to the
図5(a)、(b)に示すように金属薄膜体40は熱絶縁層を構成する第1金属薄膜41と、第1金属薄膜41上に積層された輻射吸収層を構成する複数の第2金属薄膜42とから構成されている。第1金属薄膜41は、窓29に張られるため高抗張力のものが好ましく、又、互いにギャップGを介して隣接する第2金属薄膜42間の熱の移動を抑制するため、第2金属薄膜42よりも低熱伝導の材質が好ましい。このため、第1金属薄膜41としては、例えば、ステンレス鋼や、或いはチタン等のように高抗張力性を有し、低熱伝導性を有するものから選択される。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the metal
又、第1金属薄膜41の膜厚は、1〜10μmが好ましいが、この範囲に限定されるものてはない。
複数の第2金属薄膜42は、図2、及び図5(a)に示すようにマトリクス状に配置され、互いにギャップを介して離間している。第2金属薄膜42は、プラズマからの光子を吸収することにより、赤外線を発生する金属であればよく、この材質としては光子減衰係数(a photon attenuation coefficient)が高い、例えばAu(金)、Pt(白金)、W(タングステン)、Ta(タンタル)、Hf(ハフニウム)、Pb(鉛)を挙げることができる。
Moreover, although the film thickness of the 1st metal
The plurality of second metal
又、第2金属薄膜42は、膜厚が異なると吸収可能な光子のエネルギー領域が異なるため、測定したいエネルギー領域をもった測定対象(光子)に応じた膜厚を用意することにより、入射する輻射や粒子エネルギーの分別が可能である。
Moreover, since the energy region of the photon that can be absorbed is different when the film thickness is different, the second metal
又、第2金属薄膜42のブロックの形状は、平面視した時に正方形でもよく、或いは長方形でもよく、又、さらに他の形状であってもよく、形状が限定されるものではない。第2金属薄膜42は、図5(a)、(b)に示すように互いにギャップGを介して離間して配置されている。第2金属薄膜42のギャップGは、フォトレジストにより後に第2金属薄膜42となる領域をマスクした状態で、マスクされなかった領域をドライエッチングで除去することにより形成することができる。
Further, the shape of the block of the second metal
なお、図5(a)、(b)で示す第2金属薄膜42を積層する第1金属薄膜41では、第1金属薄膜41全体が同じ膜厚で形成されているが、この構成に限定されるものではない。図6に示すように、第2金属薄膜42を積層する第1金属薄膜41の一部の領域を除去してもよい。たとえば、図6に示す例では、第1金属薄膜41と第2金属薄膜42とのオーバーラッピング領域OVを残して、第2金属薄膜42よりも小さいサイズの露出窓41aが形成されて第2金属薄膜42のプラズマ側の面が露出するようにされている。
In addition, in the 1st metal
なお、第2金属薄膜42のプラズマ側の面を露出する場合には、例えばイオンビームエッチングにより第1金属薄膜41を削って露出窓41aを形成する。
赤外線ビデオカメラ13側の金属薄膜体40とフレーム21は、金属薄膜体40の放射率を高くするために炭素スプレーで黒く塗装され、感度が改善されている。なお、金属薄膜体40とフレーム21間には図示しないインジウム・ガスケットが介在して配置され、金属薄膜体40とフレーム21の熱的接触を改善するために使用されている。
In the case where the plasma side surface of the second metal
The metal
(作用)
次に、上記のように構成された第2金属薄膜42での温度分布について説明する。
第2金属薄膜42(以下では、吸収ブロックともいう)の温度分布は、有限要素法により入射パワーの関数として計算することができる。
(Function)
Next, the temperature distribution in the second metal
The temperature distribution of the second metal thin film 42 (hereinafter also referred to as an absorption block) can be calculated as a function of incident power by the finite element method.
この場合、薄膜要素の要素サイズLは、吸収ブロック自体の大きさに対して十分に小さく選び、又、時間ステップΔtは、吸収ブロックの応答時間より十分小さくする。このように設定されることにより、有限要素法によって個々の薄膜要素の温度上昇は以下の式(3)で与えられる。 In this case, the element size L of the thin film element is selected to be sufficiently small with respect to the size of the absorption block itself, and the time step Δt is made sufficiently smaller than the response time of the absorption block. By setting in this way, the temperature rise of each thin film element is given by the following equation (3) by the finite element method.
図7において、z軸は温度(単位K)、x,y軸は要素番号であり、各薄膜要素のサイズは0.525mmとしている。又、この場合、金属薄膜体40の構成は、第1金属薄膜41を膜厚1μmのステンレス鋼とし、露出窓41aのサイズを4.2 mm×4.2mmとし、吸収ブロック(第2金属薄膜42)のサイズを2.5μm×6.3mm×6.3mmとし、ギャップGを1.05mmとした。又、Prad(入射する輻射パワー)を3mW/cm2とした。
In FIG. 7, the z axis is temperature (unit K), the x and y axes are element numbers, and the size of each thin film element is 0.525 mm. In this case, the structure of the metal
図7に示すように、吸収ブロックの温度上昇に比べて、吸収ブロック中における領域での温度変化が小さいことが分かる。従って、吸収ブロックは熱的に絶縁されており、一様な温度分布を持つと考えることができる。 As shown in FIG. 7, it can be seen that the temperature change in the region in the absorption block is smaller than the temperature increase in the absorption block. Therefore, it can be considered that the absorption block is thermally insulated and has a uniform temperature distribution.
なお、ボロメータでの較正を行うためには、IRIBと同様に、入射パワーが既知で任意の広がりを持つ輻射の下で、吸収ブロックの温度の時間反応を計測すればよい。
なお、式(2)を用いて、入射パワーを近似することができる。係数Kと熱拡散時間τは数学的な手法により、フィッティングから求めることができる。このフィッティングについて説明する。
In order to perform calibration with a bolometer, the time response of the temperature of the absorption block may be measured under radiation having a known incident power and an arbitrary spread, similarly to IRIB.
In addition, incident power can be approximated using Formula (2). The coefficient K and the thermal diffusion time τ can be obtained from fitting by a mathematical method. This fitting will be described.
図10に示すように、金属薄膜に対して既知のパワーPlaserでレーザをチョッパーで照射して、同レーザの照射により同金属薄膜の温度変化を測定する。レーザ照射によって、金属薄膜の温度が上昇して飽和時の温度を最大温度Tmaxとし、一方、レーザ照射を停止した状態で金属薄膜の温度が下降した際、飽和時の温度を最低温度Trefとする。なお、Trefは金属薄膜の周囲の雰囲気温度である。 As shown in FIG. 10, the metal thin film is irradiated with a laser with a known power P laser with a chopper, and the temperature change of the metal thin film is measured by the laser irradiation. By laser irradiation, the temperature of the metal thin film rises and the temperature at saturation becomes the maximum temperature Tmax. On the other hand, when the temperature of the metal thin film decreases with the laser irradiation stopped, the temperature at saturation becomes the minimum temperature Tref. . Tref is the ambient temperature around the metal thin film.
このとき、
K=Tmax/Plaser
であり、又、
T−Tref=Tmax(1−e-t/τ)
であることから、上記の2つの式で、係数Kと熱拡散時間τとを求めることができる。
At this time,
K = Tmax / P laser
And also
T−Tref = Tmax (1−e −t / τ )
Therefore, the coefficient K and the thermal diffusion time τ can be obtained by the above two equations.
次に、本実施形態の変換効率を図8を参照して説明する。
図8には、入射した輻射エネルギーの分配が示されており、実線は入射エネルギーを示し、点線は赤外線放射を示し、一点鎖線は熱伝導損失を示している。図8中、y軸はエネルギー比率(%)を示し、x軸は要素番号を示している。実施形態における薄膜要素のサイズは0.525mmである。
Next, the conversion efficiency of this embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 shows the distribution of incident radiation energy, where the solid line indicates incident energy, the dotted line indicates infrared radiation, and the alternate long and short dash line indicates heat conduction loss. In FIG. 8, the y-axis indicates the energy ratio (%), and the x-axis indicates the element number. The size of the thin film element in the embodiment is 0.525 mm.
金属薄膜体40の構成は、図6に示す構成である。具体的には第1金属薄膜41を膜厚1μmのステンレス鋼とし、露出窓41aのサイズを4.2 mm×4.2mmとし、吸収ブロック(第2金属薄膜42)のサイズを2.5μm×6.3mm×6.3mmとし、ギャップGを1.05mmとした。又、Prad(入射する輻射パワー)を3mW/cm2とした。
The configuration of the metal
図9は、比較例における入射した輻射エネルギーの分配が示されており、実線は入射エネルギーを示し、点線は赤外線放射を示し、一点鎖線は熱伝導損失を示している。図9中、y軸はエネルギー比率(%)を示し、x軸は要素番号を示している。比較例における薄膜要素のサイズは0.525mmである。 FIG. 9 shows the distribution of incident radiant energy in the comparative example, where the solid line indicates incident energy, the dotted line indicates infrared radiation, and the alternate long and short dash line indicates heat conduction loss. In FIG. 9, the y-axis indicates the energy ratio (%), and the x-axis indicates the element number. The size of the thin film element in the comparative example is 0.525 mm.
又、図9での金属薄膜体は、従来(すなわち、特許文献2)の一層の金属薄膜で構成したものである。具体的には、金属薄膜を膜厚2.5μmのAu(金)で構成したものである。又、Prad(入射する輻射パワー)を3mW/cm2とした。 Further, the metal thin film body in FIG. 9 is constituted by a single metal thin film of the prior art (that is, Patent Document 2). Specifically, the metal thin film is made of Au (gold) with a film thickness of 2.5 μm. Further, P rad (incident radiation power) was set to 3 mW / cm 2 .
本実施形態の場合は、図8に示すように入射パワーの35%〜45%が赤外線放射に変換され、65%〜55%が熱伝導により失われている。
一方、これまでのIRVBでは、図9に示すようにわずかに1%〜1.5%が赤外線放射に変換され、98.5%〜99%が熱伝導により失われている。
In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 8, 35% to 45% of the incident power is converted into infrared radiation, and 65% to 55% is lost due to heat conduction.
On the other hand, in IRVB so far, as shown in FIG. 9, only 1% to 1.5% is converted into infrared radiation, and 98.5% to 99% is lost due to heat conduction.
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
(1) 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター10では、金属薄膜体40は、第1金属薄膜41(熱絶縁層)と、第1金属薄膜41上に積層されるとともに互いにギャップGを介して配置された複数の第2金属薄膜42(輻射吸収層)とを含むように構成されている。
The effects exhibited by this embodiment will be described below.
(1) In the infrared
このように複数の第2金属薄膜42が互いに離間して配置されるとともに、第1金属薄膜41が第2金属薄膜42よりも熱伝導が小さいため、ブロック間の熱伝導を特許文献2の技術よりも1/20〜1/100に低減することが可能である。
As described above, since the plurality of second metal
本実施形態によれば、赤外線として放射されるエネルギーに対して、熱伝導による損失を非常に小さくすることができ、この結果、IRVBの感度を向上することができる。
(2) 本実施形態の図6に示す構成では、第1金属薄膜41(熱絶縁層)において、第2金属薄膜42(輻射吸収層)が積層された領域の一部が除去されて、第2金属薄膜42(輻射吸収層)の一部が露出されている。
According to this embodiment, the loss due to heat conduction can be made very small with respect to the energy radiated as infrared rays, and as a result, the sensitivity of IRVB can be improved.
(2) In the configuration shown in FIG. 6 of the present embodiment, a part of the region where the second metal thin film 42 (radiation absorption layer) is laminated is removed from the first metal thin film 41 (thermal insulating layer). A part of the two-metal thin film 42 (radiation absorption layer) is exposed.
この結果、第2金属薄膜42(輻射吸収層)の入射した輻射パワーによる温度上昇の時間スケールは、第1金属薄膜41(熱絶縁層)の熱容量の影響が少なくなり、第2金属薄膜42(輻射吸収層)の熱容量に依存することになる。 As a result, the time scale of the temperature rise due to the incident radiation power of the second metal thin film 42 (radiation absorption layer) is less affected by the heat capacity of the first metal thin film 41 (thermal insulating layer), and the second metal thin film 42 ( It depends on the heat capacity of the radiation absorbing layer.
一方、図5(b)で示す構成では、第2金属薄膜42(輻射吸収層)を積層している第1金属薄膜41(熱絶縁層)の熱容量との影響を受けて、入射した輻射パワーによる温度上昇の時間スケールは、第1金属薄膜41と第2金属薄膜42の熱容量の合計に依存することになる。
On the other hand, in the configuration shown in FIG. 5B, the incident radiation power is affected by the heat capacity of the first metal thin film 41 (thermal insulating layer) on which the second metal thin film 42 (radiation absorption layer) is laminated. The time scale of the temperature rise due to depends on the total heat capacity of the first metal
従って、図6に示す構成の方が、入射した輻射パワーが同じの場合、同輻射パワーによる温度上昇を早くすることができ、早い時間応答性を持つことができる。
(3) 本実施形態のフレーム部材11では、前記金属薄膜体40が、熱伝導物質からなる前面フレーム21aと裏面フレーム21bにより挟まれた状態で光シールドチューブ3に対して取付けされ、各フレームには金属薄膜体40のサイズよりわずかに小さな1つの窓29が設けられている。そして、金属薄膜体40が窓29を覆うように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て、金属薄膜体40と2つの前記フレームによりフレーム部材11が構成されている。このように構成されていることにより、上記(1)又は(2)の効果を有するIRVBを提供できる。
Therefore, in the configuration shown in FIG. 6, when the incident radiation power is the same, the temperature rise due to the radiation power can be accelerated, and quick time response can be achieved.
(3) In the frame member 11 of the present embodiment, the metal
(4) 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター用の金属薄膜体40では、第1金属薄膜41(熱絶縁層)と、第1金属薄膜41上に積層されるとともに互いにギャップGを介して配置された複数の第2金属薄膜42(輻射吸収層)とを含むように構成されている。
(4) In the metal
この結果、IRVBの感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
(5) 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター用の金属薄膜体40では、第1金属薄膜41(熱絶縁層)において、第2金属薄膜42(輻射吸収層)が積層された領域が除去されて、第2金属薄膜42の一部が露出されているようにした。
As a result, a metal thin film used for an infrared imaging video bolometer that can improve the sensitivity of IRVB can be provided.
(5) In the metal
この結果、輻射パワーによる温度上昇を早くすることができ、早い時間応答性を持つ赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
(6) 本実施形態のフレーム部材11は、前記金属薄膜体40と、熱伝導物質からなる前面フレーム21a,裏面フレーム21bを備えている。そして、各フレームには、前記金属薄膜体40のサイズよりわずかに小さな1つの窓29が設けられていて、前記金属薄膜体40が前記窓29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ようにした。
As a result, the temperature rise due to radiation power can be accelerated, and a metal thin film body used for an infrared imaging video bolometer having a quick time response can be provided.
(6) The frame member 11 of the present embodiment includes the metal
この結果、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することができる。
(7) 従来のIRIBと比較した場合、本実施形態の二層からなる金属薄膜体は、下記1)〜3)の長所を有する。
As a result, it is possible to provide a frame member used in an infrared imaging video bolometer that can improve sensitivity.
(7) When compared with the conventional IRIB, the metal thin film body having two layers according to the present embodiment has the following advantages 1) to 3).
1)感度が5〜20倍高くなる。
2)ビクセルの一部が影になる、不十分な接触によりマスクがヒートシンクとして機能しない等の、マスク使用による不具合がなくなる。
1) Sensitivity is increased 5 to 20 times.
2) Problems due to the use of the mask, such as a part of the vixel being shaded or the mask not functioning as a heat sink due to insufficient contact, are eliminated.
3) 空間分解能が最大25%高くなる。
(8) 又、従来のIRIB及びIRVBと比較した場合、本実施形態の二層からなる金属薄膜体は、下記1)及び2)の長所を有する。
3) The spatial resolution is increased by up to 25%.
(8) Further, when compared with conventional IRIB and IRVB, the metal thin film body having two layers according to the present embodiment has the following advantages 1) and 2).
1) 50〜1000msの時間スケールにおいて、感度が3〜10倍高くなる。
2) 較正手続が簡便にできる。
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
1) Sensitivity increases 3 to 10 times on a time scale of 50 to 1000 ms.
2) The calibration procedure can be simplified.
In addition, the said embodiment can also be changed and comprised as follows.
○ 前記実施形態の構成中、第1金属薄膜41(熱絶縁層)において、第2金属薄膜42を積層する領域の膜厚を第1金属薄膜41間にギャップGが設けられた領域の膜厚よりも薄く形成してもよい。このように構成しても、赤外線として放射されるエネルギーに対して、熱伝導による損失を非常に小さくすることができ、この結果、IRVBの感度を向上することができる。
In the configuration of the embodiment, in the first metal thin film 41 (thermal insulating layer), the thickness of the region where the second metal
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、
10…赤外線イメージングビデオボロメーター、11…フレーム部材、
13…赤外線ビデオカメラ、21…フレーム、21a…前面フレーム、
21b…裏面フレーム21b、29…窓、40…金属薄膜体、
41…第1金属薄膜(熱絶縁層)、42…第2金属薄膜(輻射吸収層)、
G…ギャップ。
1 ... Vacuum container, 3 ... Light shield tube, 5 ... Infrared vacuum window,
7 ... plate, 9 ... pinhole or slit,
10 ... Infrared imaging video bolometer, 11 ... Frame member,
13 ... Infrared video camera, 21 ... Frame, 21a ... Front frame,
21b ...
41 ... 1st metal thin film (thermal insulation layer), 42 ... 2nd metal thin film (radiation absorption layer),
G ... Gap.
Claims (8)
前記光シールド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光シールドチューブの端面に設けられるとともに、プラズマからの光を取り入れるピンホール或いはスリットを有しているプレートと、
前記プレートに平行になるように前記光シールドチューブ内に取り付けられた金属薄膜体と、
前記赤外線真空窓を介して前記薄膜体を眺める赤外線ビデオカメラと、を有する赤外線イメージングボロメータにおいて、
前記金属薄膜体は、熱絶縁層を形成する第1金属薄膜と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層を形成する第2金属薄膜とを含み、第1金属薄膜のみにより第2金属薄膜を支持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。 A light shield tube attached to a vacuum vessel in which the plasma is confined, and blackened to avoid light reflection from the plasma;
An infrared vacuum window provided on the end face of the light shield tube and attached to the vacuum vessel;
A plate having a pinhole or slit for taking in light from plasma, provided on the end face of the light shield tube opposite to the infrared vacuum window;
A metal thin film body mounted in the light shield tube so as to be parallel to the plate;
Infrared imaging bolometer having an infrared video camera for viewing the thin film through the infrared vacuum window,
The metal thin film body includes a first metal thin film that forms a heat insulating layer, and a second metal thin film that is stacked on the heat insulating layer and forms a plurality of radiation absorbing layers arranged with gaps therebetween. An infrared imaging video bolometer including a second metal thin film supported only by the first metal thin film .
前記各フレームには前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな1つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うように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て、前記金属薄膜体と前記2つのフレームによりフレーム部材が構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター。 The metal thin film body is attached to the light shield tube in a state sandwiched between two frames made of a heat conductive material,
Each frame is provided with one window slightly smaller than the size of the metal thin film body, and the metal thin film body is held so as to be exposed to the plasma side and the infrared camera side so as to cover the window. The infrared imaging video bolometer according to any one of claims 1 to 3, wherein a frame member is constituted by the metal thin film body and the two frames.
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、前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな1つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体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、
を備えた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。 The metal thin film body according to any one of claims 5 to 7,
Two frames made of heat-conducting material,
Each frame is provided with one window slightly smaller than the size of the metal thin film body, and the metal thin film body is sandwiched between the frames so as to cover the window and exposed to the plasma side and the infrared camera side. A frame that is held to
A frame member for an infrared imaging video bolometer, comprising:
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