JP6432115B2 - 電位発生方法 - Google Patents

Description

この発明は電位差発生方法及びその装置に関する。

本発明者らは、制御された紫外レーザ光を強誘電体としての焦電体に照射すると、焦電体に電位差が生じ、焦電体から電子線が放射されることを見出した。そこで、本発明者らはその一つの応用として、特許文献１において、焦電体に紫外レーザ光を照射することにより焦電体から金属片に対して電子線を放射させ、もって、金属片からＸ線を放出する方式の新規なＸ線発生装置を提案している。
紫外光は焦電体の負極面側に照射される（非特許文献１参照）。

ＷＯ２０１０／１１６７０９Ａ１

第７０回応用物理学会学術講演会講演予稿集第２冊分、2009.09.08，p.668

紫外光を強誘電体へ照射することでこの強誘電体に電位差が生じるという特性を太陽電池に利用することを検討した。汎用的な太陽電池では、太陽光の中の専ら可視光以上の波長成分を利用している。
紫外光が含まれる太陽光を強誘電体の負極面に照射しても強誘電体には電位差が生じなかった。
検討の結果、紫外光のうちの強誘電体を透過しない波長の光のみを当該強誘電体の負極面へ照射すると強誘電体に電位差が生じ、他方、強誘電体を透過する波長の紫外光を重畳して当該強誘電体へ照射すると、当該強誘電体に電位差が生じないことを見出した。

かかる新規な知見に基づき、本発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
強誘電体の負極面へ、該強誘電体を透過しない波長の紫外光を照射して該強誘電体へ電位差を発生させる電位差発生方法であって、
外部からの光の中から前記強誘電体を透過しない波長の紫外光を選択し、該選択された紫外光を前記強誘電体の負極面へ照射する、電位差発生方法。
上記において、外部からの光として太陽光を利用できる。

強誘電体に対する紫外光（パルス光）の照射方向と発生電位の関係を示す。 強誘電体に対する紫外光（連続光）の照射方向と発生電位の関係を示す。 強誘電体へ照射する紫外光の波長と発生電位との関係を示す。 強誘電体へ波長の異なる紫外光を照射したときの発生電位の関係を示す。 強誘電体に対する紫外光（連続光）の照射及び停止と強誘電体の正極面に生じる電位との関係を示す。

以下、本発明の複数の実施形態について説明する。
本発明者は、強誘電体の負極面側へ紫外光を照射したときのみ強誘電体に安定して電位差を生じさせられることを見出した。
図１にはＳＵＳ板に固定された強誘電体（ＬｉＮｂＯ_３単結晶）と該強誘電体に対する紫外レーザ光の照射方向が示されている。強誘電体においてＳＵＳ板へ接続される面が、電気双極子の分極において負極側である。照射した紫外レーザ光は波長；２６６ｎｍ、パルス幅１０ｎＳ以下、出力：３６０ｍＷの紫外パルスレーザ光である。
図１からわかるとおり、強誘電体の負極面へ紫外パルスレーザ光を照射したときのみ、強誘電体の正極面に大きな電位が生じた。なお、いずれの照射方向においても強誘電体に温度変化はみられている。
なお、本発明者の検討によれば、強誘電体の正極面へ紫外レーザ光を照射したときにも、分極方向へ垂直に照射したときと同様に、正極面にはほとんど電位は発生しなかった（同様な温度変化はみられた）。

図２は、図１において、紫外パルスレーザ光を連続光に代えたときの、強誘電体の温度変化及び正極面の電位変化を示す。
連続光には低圧水銀ランプ光（主波長２５４ｎｍ）を用い、強誘電体近傍に配置したパワーメータによる計測によれば、強誘電体に照射される紫外光のパワーは２０ｍＷであった。
図２の結果から、紫外光の連続光でも、これを強誘電体の負極面へ照射することにより、そこに電位を発生させられる。かつ、連続光の照射の間、正極面の電位は安定して、実質的に一定値を示す。
更には、図１と図２の電位の値から、紫外光の連続光の方が、パルス光に比べ、そのパワーに対して効率よく正極面に電位を発生させられるものと考えられる。

図３は、図１において、強誘電体の負極面へ照射する紫外パルスレーザ光の波長を２６６ｎｍから３５５ｎｍに代えたときの、強誘電体の正極面の電位変化及び温度変化を示す。なお、この３５５ｎｍの紫外光は強誘電体を透過し、他方２５５ｎｍの波長の紫外光は透過しない。
図３の結果から、強誘電体の負極面に照射する紫外光は強誘電体を透過できない波長の紫外光とする。なお、図３の観察は室内で行っているため、室内の光に含まれる強誘電体を透過できる波長の微弱な紫外光及びその他の可視光、赤外光等も当該強誘電体の負極面に照射されているが、それらの影響は無視できることがわかる。

紫外光を強誘電体へ照射したとき当該強誘電体に電位差が生じる原理として、本発明者は、次のように考えている。
強誘電体では電気双極子が一方に揃えられている。強誘電体の焦電効果は、温度変化に伴い、結晶内部の自発分極が増減し、表面吸着電荷がその変化に追随できなくなって、電気的な中和が破られ、もって表面から電荷が放出されるためと考えられている。代表的な強誘電体としては、ＬｉＮｂＯ_３単結晶があり、この結晶体内では正電荷（Ｌｉ^＋、Ｎｂ^５＋）の重心と負電荷（Ｏ^２−）の重心とが一致しないため、定常状態でも分極していて、この電荷量と等量で異符号の電荷が結晶表面に吸着しているために、常時は電気的に中和されている。

これに対し、本発明の一態様では、強誘電体を全く透過できない、紫外レーザ光を強誘電体へ照射する。紫外レーザ光のエネルギーは強誘電体の表面に存在する電子を励起し、移動しやすくする。
強誘電体を透過しない紫外光は強誘電体における紫外光受光面の電子を励起する。
励起された電子は、電気双極子から離れることが可能になる。したがって、強誘電体において電気双極子の負極側へ紫外レーザ光を照射すると、その電子密度が小さくなる。換言すれば、その電気双極子の負電荷がプラス側に傾く。

電気双極子の一方の電荷の電荷量が変化（小さくなると）すると、安定化のため他方の正電荷の電荷量も変化（小さくなる）する。このとき、正電荷の一部は隣り合う電気双極子へ移動し、その負電荷の電荷量を変化させる。電気双極子においてかかる電荷の変化が順次伝搬し、紫外レーザ光の照射面と反対側の面の電気双極子までその影響が及ぶと、その電気双極子の正電荷の減量に応じて、当該反対側の面から電子が離れる。

強誘電体を透過する波長の紫外光では、強誘電体の紫外光受光面の電子を励起できないので、強誘電体に電位差を発生させられないと考えられる。
本発明者の検討によれば、強誘電体を透過しない紫外光とこれを透過する紫外光とを同時に強誘電体の負極面に照射すると、前者の効果が相殺されることが分かった（図４参照）。
図４（左図）に示すとおり、波長；２６６ｎｍ、パルス幅１０ｎＳ以下、出力：３６０ｍＷの紫外レーザ光（パルス）を強誘電体（ＬｉＮｂＯ_３単結晶）の負極面へ照射すると、強誘電体の正極面に電位が発生している。２６６ｎｍの波長光は強誘電体を透過しない。他方、強誘電体の負極面へ当該紫外パルスレーザ光とともに中心波長３６５ｎｍ（強誘電体を透過する）の紫外光を照射すると、強誘電体の正極面には電位が殆ど発生しなくなる（図４の右図）。
これにより、強誘電体の負極面へ照射する光は、強誘電体を透過しない波長の光のみとする。

図４の結果は、強誘電体が太陽電池として利用できることを示唆している。
即ち、光電変換素子としての強誘電体を通過できない波長の紫外光を太陽光からフィルタリングする。かかる強誘電体を通過できない波長の紫外光のみを強誘電体の負極面へ照射すると、強誘電体に電位差が発生し、太陽光においてその紫外光成分から電気を取り出すことが可能となる。
この場合、紫外光受光面に波長選択フィルタを対向させ、このフィルタへ太陽光その他の光源からの外部光を透過させる。これにより、外部光の中で強誘電体を通過できない波長の光が選択的に強誘電体の負極面へ照射され、他方、強誘電体を通過する波長の光が当該負極面へ照射されることが防止される。

上記において、強誘電体には、焦電体として知られるＬｉＮｂＯ_３単結晶やＬｉＴａＯ_３単結晶等を用いることができる。その他PLZT（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）等の強誘電体の物質を用いることができる。

強誘電体において正極面（荷電粒子放出面）に対向して金属片を配置し、強誘電体から放出された荷電粒子（電子線）を金属片に照射すると、この金属片からＸ線が放出され、もってＸ線発生装置が構成される。
金属片には、銅若しくは銅合金の薄板を採用することができる。勿論、照射された電子に対応してＸ線を放出できれば銅以外の金属、例えばアルミニウム若しくはアルミニウム合金を用いることができる。
紫外光の光源には、ＹＡＧパルスレーザ発振機、エキシマレーザ発振機、III族窒化物系化合物半導体からなる紫外光発生レーザダイオード若しくは発光ダイオード、紫外光ランプ等を用いることができる。

本発明者は紫外光（連続光）について新たな知見を得た。
強誘電体の負極面へ当該強誘電体を透過できない波長の紫外光（連続波）を照射している間、強誘電体に安定した電位差が生じ（正極面がマイナス電位となる）、紫外光の照射を止めると正極面の電位差が逆転し維持される（正極面がプラス電位となる）。
再度紫外光の連続波を照射すると、強誘電体における電位差は逆転して元にもどる（正極側がマイナス電位となる）。
図５に強誘電体ＬｉＮｂＯ_３の負極面へ２６６ｎｍ、１００ｎｍの紫外光（連続光）を照射及び停止したときの、強誘電体の正極面に表れる電位変化を示す。
紫外光（連続光）を照射すると強誘電体の正極面の電位は徐々に低下して約−十数ｋｖで安定する。その後、紫外レーザ光の照射を止めると、強誘電体の正極面の電位は徐々に増加して約＋十数ｋＶで安定する。
その後も紫外光（連続光）のオン、オフを繰り返すと、強誘電体の正極面の電位は同様に変化しかつ±十数ｋＶで安定する。
なお、紫外光（パルス光）を照射したときは、十数ｋＶまで低下した正極面の表面電位は安定せずに、徐々に増加し０ボルトに収束する。

かかる特性は、電力の印加が不適な環境で用いられるスイッチに利用できる。１００ｍＷという極めて弱い紫外光（連続）の印加により強誘電体に十数ｋＶとい高い電位差を発生させ、かつその電位差が安定しているからである。
電位差が生じている上記の強誘電体の電位差を消滅させるには、当該強誘電体の負極面へ当該強誘電体を透過する波長の紫外光（連続光、パルス光を問わず）を照射する。

以上に事項を開示する。
（１） 強誘電体へ安定して電位を発生させる方法であって、
前記強誘電体の負極面へ、該強誘電体を透過しない波長の紫外光（連続光）を照射し、前記強誘電体の正極面に負電位を発生させる、電位発生方法。
（２） （１）に記載の電位発生方法において、前記紫外光の照射を止めて、前記強誘電体の正極面へ安定した正電位を発生させる、（１）に記載の電位発生方法。
（３） （１）又は（２）の方法で前記強誘電体に生じた電位を消滅させる方法であって、前記強誘電体の負極面へ該強誘電体を透過する紫外光を照射する、電位消滅方法。

この発明は、上記発明の実施形態および実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
上記の各実施形態および各実施例のそれぞれの特徴的構成を、実現可能な範囲で組み合わせても良い。
この発明のＸ線発生装置により発生されたＸ線は、人体の治療に利用することができる。例えば、食道がん、胃がん、大腸がん、肝臓がん、胆嚢がん、膵臓がん、乳がん、喉頭がん、頭頸部がん、卵巣がん、子宮頸がん、子宮内膜がん、腎細胞がん、膀胱がん、前立腺がん、精巣腫瘍、肺がん、縦隔腫瘍、骨・柔部腫瘍、皮膚がん、悪性黒色腫、脳腫瘍、白血病、悪性リンパ腫等に対する放射線治療として利用できる。
また、この発明のＸ線発生装置及び電子線発生装置は細型化できるので、カテーテルや内視鏡に組み込むことができる。
この発明のＸ線発生装置はＸ線の波長がそろっており、また放射角も小さいので、微細材料の表面処理に好適に利用できる。この発明の電子線発生装置も材料の表面処理に適用可能である。
この発明のＸ線発生装置を非破壊検査装置若しくは医療用観察装置のＸ線原として利用できる。

Claims (1)

1. 焦電効果を奏する強誘電体の負極面へ、該強誘電体を透過しない波長の紫外光の連続光を照射して該強誘電体の正極面へマイナス電位を発生させるステップと、
   前記紫外光の照射を止めて、前記強誘電体の正極面の電位を反転させ、該正極面をプラス電位とするステップと、
   プラス電位となった前記強誘電体の負極面へ前記紫外光を再照射して、前記正極面をプラス電位からマイナス電位へ反転させるステップと、を含み、
   前記紫外光の照射を止めた後、前記紫外光を再照射するまでの間、前記正極面はプラス電位を維持する、ことを特徴とする電位発生方法。

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