JPH1149596A - Diamond - Google Patents

Diamond

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Publication number
JPH1149596A
JPH1149596A JP18872197A JP18872197A JPH1149596A JP H1149596 A JPH1149596 A JP H1149596A JP 18872197 A JP18872197 A JP 18872197A JP 18872197 A JP18872197 A JP 18872197A JP H1149596 A JPH1149596 A JP H1149596A
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JP
Japan
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window
active region
less
window according
dielectric loss
Prior art date
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Pending
Application number
JP18872197A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Alan Scarsbruck Jeffrey
アラン スカースブルック ジェフリー
Ricardo S Sussmann
サイモン サスマン リカルド
Robert Brandon John
ロバート ブランドン ジョン
Neigel Dodge Carlton
ナイジェル ドッジ カールトン
Simon James Pickles Charles
サイモン ジェームズ ピクルス チャールズ
John Whitehead Andrew
ジョン ホワイトヘッド アンドリュー
John Howard Wart Christopher
ジョン ハワード ワート クリストファー
Edward Coe Steven
エドワード コー スチーブン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Original Assignee
De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microwave transmission window made of CVD diamond, which shows comparatively lesser variation in dielectric constant and dielectric loss with temp., and which the rise in temp. is hardly caused. SOLUTION: The diamond electromagnetic-wave transmission window for light having wavelengths equal to or longer than those of infrared rays, has a CVD diamond layer 14 which shows the following characteristics: (i) >=3,200 mm<2> active area; and (ii) average dielectric loss throughout the active area, so as to meet any one or both of the following conditions at <=20 deg.C: the absorption coefficient at 10.6 μm is <0.1 cm<-1> ; and the dielectric loss angle at 140 GHz is <=150 μrad.

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、ダイヤモンドに関
し、詳しくは赤外線以上の長い波長に対する電磁透過窓
として用いるのに適した化学蒸着(以下、「CVD」と
呼ぶ)により製造したダイヤモンドに関する。そのよう
な透過窓は、環境因子から電磁源又は検出器を保護する
ために用いることができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to diamond, and more particularly to diamond produced by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as "CVD") suitable for use as an electromagnetic transmission window for long wavelengths above infrared. Such a transmission window can be used to protect the electromagnetic source or detector from environmental factors.

【0002】[0002]

【従来の技術】電磁波の源又は検出器は、大気の存在、
大気に対する相対的動き、埃又は侵食性物質の侵入のよ
うな環境因子から保護する必要がある。このような用途
の多くでは、装置の性能がそれら入手可能な窓によって
現在著しく限定される程、窓の特性はその装置の設計の
基本になるものである。
2. Description of the Related Art The source or detector of electromagnetic waves is based on the presence of the atmosphere,
There is a need to protect against environmental factors such as movement relative to the atmosphere, the ingress of dust or aggressive substances. In many such applications, the properties of the window are fundamental to the design of the device, so that the performance of the device is currently severely limited by the available windows.

【0003】例えば、ジャイロトロン(gyrotron)及び他
の高電力マイクロ波源のビーム出口のためのマイクロ波
窓は、装置の操作に必要な高度の真空を維持するが、窓
を出る高強度マイクロ波ビームによって破壊されること
がないことが要求されている。現在のジャイロトロン
は、連続的ではなくパルス状に操作されるか、又は20
0kW未満の電力で操作されるものに限定されている。
なぜなら、窓中の比較的大きな誘電損失及び(又は)比
較的低い熱伝導度の両者が窓の熱的損傷を与える結果に
なるからである。サファイア窓の場合、材料の誘電損失
は冷凍温度まで下がる温度の減少関数であるが、これら
の条件は維持するのに費用がかかり、熱的暴走の大惨事
を起こす可能性を生ずる。
For example, microwave windows for the beam exit of gyrotrons and other high power microwave sources maintain the high vacuum required for operation of the device, but do not allow the high intensity microwave beam to exit the window. Is not required to be destroyed. Current gyrotrons operate in pulses rather than continuously, or
It is limited to those operated with power less than 0 kW.
This is because both relatively high dielectric loss and / or relatively low thermal conductivity in the window can result in thermal damage to the window. In the case of sapphire windows, the dielectric loss of the material is a decreasing function of the temperature down to the freezing temperature, but these conditions are expensive to maintain and create the potential for a thermal runaway catastrophe.

【0004】軍事的映像及び標的捕捉の用途で他の例を
見ることができる。例えば、高速ミサイルは、現在赤外
線誘導装置を保護する窓の熱的/機械的性能によって限
定されている。更に、タンク、ヘリコプター等のような
移動及び停止及び発車台の視野及び標的捕捉窓は、塵及
び砂のような侵食性物質によって容易に損傷を受け、そ
れらの大きさは材料の機械的性質により限定されてい
る。それ以外に、それらは非常に限定された範囲の透過
能力しか示すことができないため、或る範囲の源及び検
出器のための多周波数窓として用いることができず、さ
もなければ好ましい選択事項となる位のものである。
[0004] Other examples can be found in military imaging and target capture applications. For example, high speed missiles are currently limited by the thermal / mechanical performance of windows that protect infrared guidance devices. In addition, the moving and stopping and launch platform views and target capture windows, such as tanks, helicopters, etc., are easily damaged by aggressive materials such as dust and sand, and their size depends on the mechanical properties of the material. Limited. Apart from that, they can only show a very limited range of transmission capabilities, so that they cannot be used as multi-frequency windows for a range of sources and detectors, or are otherwise preferred choices. It is a certain thing.

【0005】CVDによる基体上のダイヤモンドのよう
な材料を付着させる方法は現在充分確立されており、特
許及び他の文献に詳しく記載されている。ダイヤモンド
を基体上に付着させる時、その方法は一般にガス混合物
を与えることを含み、そのガス混合物は分解して原子状
の水素又はハロゲン(例えば、F、Cl)及びC即ち炭
素を含有するラジカル、及び他の反応性物質、例えば、
CHx 、CFx (式中、xは1〜4である)を与えるこ
とができる。更に、窒素及び硼素のための源のような、
酸素含有源が存在していてもよい。多くの工程で、ヘリ
ウム、ネオン、又はアルゴンのような不活性ガスが存在
していてもよい。例えば、典型的な源ガス混合物は、炭
化水素Cx Yy (式中、x及びyは夫々1〜4であ
る)、ハロカーボンCx Yy Halz (式中、x、y及
びzは夫々1〜10である)、又はCOx (式中、xは
1〜3にすることができる)、及び任意に次のもの:O
2 、H 2 、N2 、NH3 、B2 5 及び不活性ガスの一
種類以上を含む。夫々のガスはその天然のアイソトープ
比で存在していてもよく、或は相対的アイソトープ比は
人工的に調節されていてもよく、例えば、水素は重水素
又は三重水素として存在していてもよく、炭素は12C又
13Cとして存在していてもよい。源のガス混合物の分
解は、マイクロ波、レーザー、RFエネルギー、炎、又
は高温フィラメントのようなエネルギー源によって惹き
起こされ、そのようにして生じた反応性ガス物質を、基
体上に付着させ、ダイヤモンドを形成することができ
る。
Like diamond on a substrate by CVD
The method of depositing various materials is well-established at present.
It is described in detail in Yu and other literature. diamond
When depositing on a substrate, the method is generally a gas mixture.
The gas mixture is decomposed into atomic
Hydrogen or halogen (eg, F, Cl) and C, ie, carbon
Radicals containing sulfur, and other reactive substances, for example,
CHx, CFx (where x is 1-4)
Can be. In addition, such as sources for nitrogen and boron,
An oxygen-containing source may be present. Helicopter in many steps
Inert gas such as chromium, neon, or argon
It may be. For example, a typical source gas mixture is charcoal
Hydrogen Cx Yy (where x and y are each 1 to 4
Halocarbon Cx Yy Halz (where x, y and
And z are 1 to 10, respectively, or COx (where x is
1-3) and optionally the following: O
Two, H Two, NTwo, NHThree, BTwoHFiveAnd inert gas
Including more than kind. Each gas is its natural isotope
Ratios, or the relative isotope ratios
It may be artificially adjusted, for example, hydrogen is deuterium
Or may be present as tritium, wherein carbon is12C also
Is13It may exist as C. Minutes of source gas mixture
The solution is microwave, laser, RF energy, flame, or
Is attracted by energy sources like hot filaments
The reactive gas substance thus generated
Can adhere to the body and form diamond
You.

【0006】材料の誘電体性は二つの量によって定義さ
れる: − 誘電率(又は誘電定数) − 誘電損失
The dielectric properties of a material are defined by two quantities: dielectric constant (or dielectric constant) dielectric loss

【0007】これらの量は材料の電磁気的性質の理論で
よく知られており、多くのテキストブックに記載されて
いる。要するに:誘電率は通常真空に対して測定され、
従って数である。それは静電場中での電荷を保持する材
料の能力の尺度である。交流電磁場では、誘電率は、材
料内での電磁波伝播速度の真空中での速度に対する測定
値でもある。それは、真空に対する材料中での電磁波の
減少の尺度と考えることもできる。誘電率の値によっ
て、或る用途では、厚さを半波長の整数倍に作ることに
より反射を最小にするように、窓の最適厚さを決定する
ことができる。
[0007] These quantities are well known in the theory of the electromagnetic properties of materials and are described in many textbooks. In short: permittivity is usually measured against vacuum,
Therefore it is a number. It is a measure of a material's ability to retain a charge in an electrostatic field. In an alternating electromagnetic field, the dielectric constant is also a measure of the speed of propagation of an electromagnetic wave in a material relative to the speed in vacuum. It can also be considered as a measure of the reduction of electromagnetic waves in a material relative to vacuum. The value of the dielectric constant can, in some applications, determine the optimal thickness of the window so as to minimize reflection by making the thickness an integral multiple of half a wavelength.

【0008】誘電損失は、電磁波が材料中を通る時のそ
の減衰の尺度である。それは通常ずれの角度(損失角)
として、又はその角度の正接(損失正接)として測定さ
れ、夫々ラジアン(一般にここでは10-6ラジアンに相
当するマイクロラジアンとして)又はその正接に等しい
数として表される。小さな角度(0.1ラジアンより小
さい角度)については、これら二つの数値は実質的に同
じである。誘電損失の値は、例えば過度の加熱を受ける
ことなく、また入射波の過度の減衰を起こすことなく、
高電力電磁波を透過する窓の能力を決定する。熱帯城で
のその値も、温度の関数として窓の熱輻射線の放出を決
定し、それは窓が熱線の検出又は映像装置を保護し、使
用中に加熱されることがある用途ではできるだけ小さく
する必要がある。
[0008] Dielectric loss is a measure of the attenuation of an electromagnetic wave as it passes through a material. It is the normal deviation angle (loss angle)
Or the tangent of the angle (loss tangent), expressed in radians (generally here as microradians equivalent to 10 −6 radians) or a number equal to the tangent, respectively. For small angles (less than 0.1 radians), these two numbers are substantially the same. The value of the dielectric loss, for example, without being subjected to excessive heating and without causing excessive attenuation of the incident wave,
Determines the window's ability to transmit high power electromagnetic waves. Its value at tropical castles also determines the emission of thermal radiation in the window as a function of temperature, which protects the heat ray detection or imaging equipment and makes it as small as possible in applications where it may be heated during use. There is a need.

【0009】誘電損失は共振空洞(即ち、定常波)及び
ビーム(即ち、進行波)系の両方によって測定すること
ができる。ビーム試験は最終的用途に一層近いが試験の
大部分は簡単のため共振空洞で遂行されているが、その
測定値は材料中に形成される定常波模様が空洞の形状に
よって支配され、進行波中へ移行させることによって生
ずるものとは異なると言う制約を有する。
[0009] Dielectric loss can be measured by both resonant cavity (ie, standing wave) and beam (ie, traveling wave) systems. Beam testing is closer to the end use, but most of the testing is performed in a resonant cavity for simplicity, but the measurements are based on the shape of the standing wave pattern formed in the material and the shape of the cavity. Has the restriction that it is different from that caused by the transition to.

【0010】共振空洞測定の詳細は文献に充分報告され
ている〔例えば、サスマン(Sussmann)その他(199
4)−RSサスマン、JRブランドン(Brandon)、GA
スカルスブルック(Scarsbrook)、CGスゥィニー(Sween
ey)、TJバレンタイン(Valentine)、AJホワイトヘ
ッド(Whitehead)、CJHウォルト(Wort)、Diamond an
d Related Materials, 3 (1994) 303-312 〕。試験中の
板は、本質的にマイクロ波空洞の一方の端に置き、その
厚さを理想的にはダイヤモンド内のマイクロ波の波長λ
の 1/4の整数m倍にする。共振器の端に接触した面でマ
イクロ波中に結節点が存在し、もしmが偶数(λ/2の
整数倍の厚さ)であるならば、自由表面に結節点があ
り、もしmが奇数の場合には、自由表面には波腹が存在
する。もし試料がその厚さに亙って損失正接にかなりの
変動を示すならば、この技術によって測定される誘電損
失は試験中の円盤の配向に依存して変化する。本明細書
及び特許請求の範囲の目的から、この測定値は、取られ
た誘電損失値が二つの配向の平均値である限り、許容す
ることができる。
The details of resonant cavity measurements are well documented in the literature [eg, Sussmann et al. (199)
4) -RS Sussman, JR Brandon, GA
Scarsbrook, CG Sweeney
ey), TJ Valentine (Valentine), AJ Whitehead (Whitehead), CJH Walt (Diamond an)
d Related Materials, 3 (1994) 303-312]. The plate under test is placed essentially at one end of the microwave cavity and its thickness is ideally set to the wavelength λ of the microwave in diamond.
Integer m times 1/4 of If there is a nodal point in the microwave on the surface in contact with the end of the resonator and if m is an even number (thickness of an integral multiple of λ / 2), then there is a nodal point on the free surface and if m is In the odd case, there is an antinode on the free surface. If the sample exhibits a significant variation in loss tangent over its thickness, the dielectric loss measured by this technique will vary depending on the orientation of the disk under test. For the purposes of the present description and claims, this measurement is acceptable as long as the dielectric loss value taken is the average of the two orientations.

【0011】別法として、窓の最終的用途と同様なやり
方で焦点を合わせたマイクロ波ビームを用いて試料を測
定することができる。通常の用途では、自由空間中の進
行波であるビーム中へ直角の入射角でマイクロ波窓を挿
入する。しかし、ダイヤモンドの屈折率が大きいため、
窓の両表面からの反射が大きいので、窓内部では定常波
が形成される。この場合には定常波の模様は窓の幾何学
性によってのみ定まり、そのため上で述べたように窓が
共振器の一方の端で試験されている場合に存在するもの
とは異なったものになることに注意されたい。このた
め、原理的にビーム試験を用いて窓を試験するのが好ま
しいが、この方法による在り来りの試験は通常コスト及
び他の実際的問題のため除外されている。ビーム試験の
方法は、赤外線領域で吸収係数を測定するのに用いられ
ているレーザー熱量法と似ている〔例えば、マッサート
(Massart)その他(1995)−Mマッサート、Pユニ
オン(Union)、GAスカルスブルック(Scarsbrook)、R
Sサスマン(Sussmann)、Pムイス(Muys)、SPIE, Vol. 2
714, pp.177-184 (1996)〕。
[0011] Alternatively, the sample can be measured using a focused microwave beam in a manner similar to the end use of the window. In a typical application, a microwave window is inserted at a right angle of incidence into a traveling wave beam in free space. However, due to the large refractive index of diamond,
Since the reflection from both surfaces of the window is large, a standing wave is formed inside the window. In this case, the standing wave pattern is determined solely by the geometry of the window, and therefore, will differ from that which would exist if the window were tested at one end of the resonator, as described above. Please be careful. For this reason, it is preferred in principle to test the window using a beam test, but conventional testing by this method is usually ruled out due to cost and other practical issues. The beam test method is similar to the laser calorimetry method used to measure the absorption coefficient in the infrared region [e.g., Massart
(Massart) et al. (1995)-M Massert, P Union, GA Scarsbrook, R
S Sussmann, P Muys, SPIE, Vol. 2
714, pp.177-184 (1996)].

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】多くの用途に対し、特
に高電力マイクロ波輻射線の伝播を含む系では、誘電率
及び誘電損失が温度に対し比較的変動しないことが有利
である。もし誘電損失が温度上昇と共に上昇すると、例
えば系は熱的破壊を受けることがある。反射を最小にす
るため、窓の厚さを波長の半分の整数倍に設計した用途
では、温度による誘電率の変動のため窓を調整できなく
し、その透過特性は、透過ビームの熱的負荷が窓の温度
のかなりの上昇を起こす用途では変動する。
For many applications, especially in systems involving the propagation of high power microwave radiation, it is advantageous that the permittivity and dielectric loss remain relatively invariant with temperature. If the dielectric loss increases with increasing temperature, for example, the system may undergo thermal breakdown. In applications where the thickness of the window is designed to be an integral multiple of half the wavelength to minimize reflections, the window cannot be adjusted due to variations in dielectric constant with temperature, and its transmission characteristics are limited by the thermal load of the transmitted beam. It fluctuates in applications that cause a significant rise in window temperature.

【0013】マイクロ波窓の用途で慣用的に用いられて
いる一つの材料はサファイアである。サファイアの誘電
損失の温度依存性は図1に示されている。両方共温度の
比較的急激な関数であることが分かる。室温ではサファ
イアの損失角は200マイクロラジアン(2×10-4
ジアン)に近い。この値は100KWよりかなり高い所
で操作されるジャイロトロン管にとっては許容出来ない
くらい高いと考えられ、従って、低温冷却された窓組立
体を用いたこの用途の装置が開発されてきた。これらは
実際的にかなり複雑になっている。破減的破壊をもたら
す温度変動による熱的急騰を起こす危険もある。
One material commonly used in microwave window applications is sapphire. The temperature dependence of the dielectric loss of sapphire is shown in FIG. It can be seen that both are relatively sharp functions of temperature. At room temperature, the loss angle of sapphire is close to 200 microradians (2 × 10 -4 radians). This value is considered unacceptably high for a gyrotron tube operating at well above 100 KW, and therefore devices have been developed for this application using cryogenically cooled window assemblies. These are actually quite complicated. There is also a risk of thermal spikes due to temperature fluctuations that cause catastrophic failure.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、赤外線
以上の長い波長に対する電磁透過窓としてCVDダイヤ
モンド層を使用することが与えられ、その層は次の性質
を示す。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided the use of a CVD diamond layer as an electromagnetic transmission window for long wavelengths above infrared. The layer exhibits the following properties:

【0015】(1) 大きな活性領域、即ち電磁波が透
過する領域が大きい。CVDダイヤモンド層の活性領域
は3200mm2 、好ましくは7500mm2 を超え
る。活性領域は、典型的には、円又は楕円形をしてい
る。平らな円である時、直径は少なくとも65mmであ
るのが好ましく、一層好ましくは少なくとも100mm
である。平らな楕円形である場合、長軸は少なくとも6
5mmであるのが好ましく、一層好ましくは少なくとも
100mmである。活性領域より外のダイヤモンドは、
取付けの目的に利用することができ、今後「取付け領
域」として言及する。
(1) A large active area, that is, an area through which electromagnetic waves pass is large. Active area of the CVD diamond layer is 3200 mm 2, preferably greater than 7500 mm 2. The active area is typically circular or oval. When a flat circle, the diameter is preferably at least 65 mm, more preferably at least 100 mm
It is. If it is flat elliptical, the major axis is at least 6
Preferably it is 5 mm, more preferably at least 100 mm. Diamonds outside the active area
It can be used for mounting purposes and will be referred to hereinafter as the "mounting area".

【0016】(2) 誘電損失が小さい。活性領域に亙
る層の平均誘電損失は、20℃以下の温度で次の条件の
一方又は両方を満足する:10.6μmで、0.1cm
-1未満、好ましくは0.05cm-1未満の吸収係数、1
40GHzで、150マイクロラジアンを超えず、一般
にそれより小さく、好ましくは100マイクロラジアン
より小さい損失角。
(2) The dielectric loss is small. The average dielectric loss of the layer over the active region satisfies one or both of the following conditions at a temperature of 20 ° C. or less: 10.6 μm;
Less than -1, preferably absorption coefficient less than 0.05 cm -1, 1
At 40 GHz, the loss angle does not exceed 150 microradians and is generally smaller, preferably less than 100 microradians.

【0017】図2に記載したデーターから分かるよう
に、材料の誘電損失は周波数と共に変化する。誘電損失
は、活性領域の幾何学的中心近くにガウス平面によるビ
ーム断面の中心を置き、活性領域の 1/5〜 1/3の直径
(1/e)による試料の平均有効誘電損失として取るこ
とができる。図2に記載したデーターは、35〜145
GHzに亙って得られたものである。勿論、測定は別の
周波数、例えば50〜200GHzの範囲で行うことも
できる。
As can be seen from the data set forth in FIG. 2, the dielectric loss of a material changes with frequency. The dielectric loss is taken as the average effective dielectric loss of the sample with a diameter (1 / e) of 1/5 to 1/3 of the active area centered on the Gaussian plane near the geometric center of the active area. Can be. The data described in FIG.
It was obtained over GHz. Of course, the measurement can be performed at another frequency, for example, in the range of 50 to 200 GHz.

【0018】更に層は次の特徴の一つ以上を有するのが
好ましい: (3) 140GHzでの活性領域の誘電損失は、20
0K〜500Kの温度範囲に亙って100℃当たりの上
昇が20%未満であり、一層好ましくは温度上昇と共に
低下する。
Further, the layer preferably has one or more of the following characteristics: (3) The dielectric loss of the active region at 140 GHz is 20
The increase per 100 ° C. over the temperature range from 0 K to 500 K is less than 20%, and more preferably decreases with increasing temperature.

【0019】(4) 140GHzでの活性領域の誘電
率は、200K〜500Kの温度範囲に亙って100℃
上昇当たりの変動が0.5%未満である。
(4) The dielectric constant of the active region at 140 GHz is 100 ° C. over a temperature range of 200 K to 500 K.
The variation per rise is less than 0.5%.

【0020】(5) 大きな熱伝導度。活性領域の熱伝
導度は15W/cmKより大きく、典型的には18W/
cmKより大きい。
(5) Large thermal conductivity. The thermal conductivity of the active region is greater than 15 W / cmK, typically 18 W / cmK.
It is larger than cmK.

【0021】(6) 大きな強度。層は活性領域(及び
取付け領域)に亙って層を適切に取付けることができ、
目的の用途で機能を果たすことができる充分な強度を有
する。特に活性領域に亙る破壊抗張力は、長さ18m
m、幅2mm、考察する層の厚さ又は1.4mmのどち
らか小さい方の厚さを有する試料について3点曲げ試験
により測定して、核生成表面を張力下にして600MP
aを超え、成長面を張力下にして300MPaを超え
る。更に、ワイブルモジュラス(Weibull modulus)は、
どちらの面を試験しても8を超え、好ましくは10を超
え、厚さによる強度の変動について補正した時、成長面
を張力下にして20を超えることがある。
(6) Large strength. The layer is capable of properly attaching the layer over the active area (and attachment area),
It has sufficient strength to perform its function for the intended use. In particular, the breaking strength over the active area is 18 m long
m, width 2 mm, thickness of the layer under consideration or 1.4 mm, whichever is smaller, measured by a three-point bending test, with the nucleation surface at 600 MPa under tension.
a and exceeds 300 MPa with the growth surface under tension. Furthermore, the Weibull modulus is
Either surface tested exceeds 8 and preferably exceeds 10, and when corrected for thickness variations in strength, may exceed 20 with the growth surface under tension.

【0022】(7) X線照射下の誘電損失が0.75
Gy/sの線量率に対し200%より多く上昇すること
はなく、好ましくは30%以下である。
(7) Dielectric loss under X-ray irradiation is 0.75
It does not increase more than 200% with respect to the dose rate of Gy / s, and is preferably 30% or less.

【0023】(8) 活性領域に亙り誘電損失が均一で
ある。活性領域に亙る誘電損失は、1cmの直径より大
きなどの領域でも、上記(2)項に記載した平均限界を
2倍より多く越えることはない充分均一なものになって
いる。
(8) The dielectric loss is uniform over the active region. The dielectric loss over the active region is sufficiently uniform that in any region larger than 1 cm in diameter it does not exceed the average limit described in (2) above by more than a factor of two.

【0024】(9) 層の活性領域には、局部的領域
で、その吸収が層の大きな熱/機械的損傷を局部的に起
こすのに充分な局部的領域は存在していない。
(9) There is no localized area in the active area of the layer, the local area being sufficient for its absorption to cause significant thermal / mechanical damage of the layer locally.

【0025】本発明の別の特徴によれば、赤外線以上の
長い波長の電磁波透過窓として用いられる電磁波透過窓
としてCVDダイヤモンド層を使用することが与えら
れ、その層は、活性領域、即ち電磁波の透過が行われる
領域で、20℃以下の温度で次の条件:10.6μmで
0.02cm-1より小さく、好ましくは0.015cm
-1より小さい吸収係数、又は140GHzで50マイク
ロラジアンより小さく、好ましくは20マイクロラジア
ンより小さい損失角、を満足する平均誘電損失を有し、
然も、上記(3)から(9)に記載した特性の一つ以上
を場合により有する活性領域を有する。
According to another feature of the present invention, there is provided the use of a CVD diamond layer as an electromagnetic wave transmission window used as an electromagnetic wave transmission window of a longer wavelength than infrared light, wherein the layer has an active region, that is, an electromagnetic wave transmission window. In the region where permeation takes place, at a temperature of 20 ° C. or less, the following conditions: 10.6 μm, less than 0.02 cm −1 ,
An average dielectric loss satisfying an absorption coefficient of less than -1 or a loss angle of less than 50 microradians at 140 GHz, preferably less than 20 microradians;
Of course, it has an active region that optionally has one or more of the characteristics described in (3) to (9) above.

【0026】ダイヤモンドは多結晶質であるのが好まし
いが、CVD法により成長させた単結晶又は高度に配向
した多結晶質ダイヤモンドでもよい。
The diamond is preferably polycrystalline, but may be a single crystal grown by CVD or a highly oriented polycrystalline diamond.

【0027】更に本発明によれば、上に記載したダイヤ
モンド層を有する電磁波透過窓が与えられる。
According to the present invention, there is further provided an electromagnetic wave transmitting window having a diamond layer as described above.

【0028】CVDダイヤモンド層は、平面、ドーム、
半球、オジーブ、又は非球面の一部のようなどのような
適当な形でもよい。その横径対厚さのアスペクト比は限
定されていない。全形態は、強度、光学的特性、又は空
気力学的性質を考慮して定めてもよい。
[0028] The CVD diamond layer comprises a flat surface, a dome,
It may be of any suitable shape, such as a hemisphere, ogive, or part of an aspheric surface. The aspect ratio of the lateral diameter to the thickness is not limited. All forms may be determined in view of strength, optical properties, or aerodynamic properties.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】マイクロ波透過用 本発明のCVDダイヤモンド層を特に用いることができ
る三つの一般的設計の窓がある。各設計の正確な電力能
力は、窓の誘電損失、取付けた窓(単数又は複数)の冷
却された縁から逃げる熱を除去する能力、及び設計で許
容できる窓の温度変動に依存するが、50マイクロラジ
アン以下の損失を有する材料の場合、各一般的設計の大
略の電力範囲は、他の性質(温度による熱伝導度の如き
性質)の変動を考慮に入れて、数字上の熱的モデリング
により推定することができる。これらの計算は、本発明
のCVDダイヤモンド層を用いたマイクロ波透過窓を次
の能力を持つように構成することができることを示して
いる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION There are three general designs of windows in which the inventive CVD diamond layer for microwave transmission can be used in particular. The exact power capability of each design depends on the window's dielectric loss, its ability to remove heat escaping from the cooled edge (s) of the attached window (s), and the window temperature variations that the design can tolerate. For materials with sub-radian losses or less, the approximate power range of each general design is determined by numerical thermal modeling, taking into account the variability of other properties (such as thermal conductivity with temperature). Can be estimated. These calculations indicate that a microwave transmitting window using the CVD diamond layer of the present invention can be configured to have the following capabilities:

【0030】(i) 単純な単一孔窓の場合、透過する
電力は200kW未満から5MW平均電力を越える値ま
での範囲にすることができる。この形態では、冷却は、
窓の縁に取付けた接着金属層により達成することがで
き、その層はロウ付け、伝導性エポキシ等により取付け
られている。別法として、流体冷却剤が直接ダイヤモン
ド窓と接触するように閉じた経路を形成するように接合
部(大きな熱伝導度を持つ必要はない)を用いることが
できる。
(I) For a simple single-hole window, the transmitted power can range from less than 200 kW to more than 5 MW average power. In this form, the cooling is
This can be achieved by an adhesive metal layer attached to the edge of the window, which layer is attached by brazing, conductive epoxy or the like. Alternatively, the joints (which need not have high thermal conductivity) can be used to form a closed path for the fluid coolant to directly contact the diamond window.

【0031】(ii) 単一孔二重エレメント窓で、それ
らエレメントの間に活発な冷却が行われる窓の場合、こ
の範囲は30MWを越える値まで拡大することができ
る。
(Ii) In the case of single-hole, double-element windows, where active cooling takes place between the elements, this range can be extended to values in excess of 30 MW.

【0032】(iii) 活発に冷却された冷却エレメント
により分離された多孔窓の場合、この範囲は100MW
を越える値まで拡大することができる。多孔構造は上記
方法の一方又は両方に組み込むことができ、更に窓エレ
メントを配列状に保持する支持構造体内部に流体冷却を
持つようにすることができる。
(Iii) In the case of perforated windows separated by actively cooled cooling elements, this range is 100 MW
Can be expanded up to a value exceeding. The porous structure can be incorporated in one or both of the above methods, and can have fluid cooling inside the support structure that holds the window elements in an array.

【0033】マイクロ波/単一窓のための最適の形状
は、典型的には円状ガウスビームであり、その直径は、
強度が1/e(dC まで落ちる直径を特徴とし、その窓の
直径DWはdC <DW <6dC 、一層一般的には2dC
<DW <5dC になるような直径である。そのような窓
の主たる設計条件は、電力及び電力密度である。ビーム
をパルス状にした場合、これらは、材料の温度限界を越
えるか、又は熱衝撃を誘発することにより破壊を起こす
程単一のパルスが充分長くならないことを条件として、
時間平均値になる。電力密度PD は、全電力PT を特性
ビーム面積で割ったものとして特定化することができ、
即ち、ガウスビームについては次のようになる。
The optimal shape for microwave / single window is typically a circular Gaussian beam whose diameter is
It is characterized by a diameter whose intensity drops to 1 / e (d C , whose window diameter D W is d C <D W <6d C , more usually 2d C
The diameter is such that <D W <5d C. The main design requirements of such windows are power and power density. When the beams are pulsed, they are subject to the condition that a single pulse is not long enough to exceed the temperature limit of the material or to cause destruction by inducing thermal shock.
It becomes a time average value. The power density P D can be specified as the total power P T divided by the characteristic beam area,
That is, a Gaussian beam is as follows.

【0034】[0034]

【数1】 (Equation 1)

【0035】現在の用途では、単一窓はサファイア及び
六方晶形窒化硼素のような材料を用いて120kW未満
の平均電力に限定されているのが典型的である。約3秒
までの継続時間で、約550kWまでのパルス状電力レ
ベルが達成されているが、これは熱による破壊を回避す
る窓の熱的質量(thermal mass)に基づいて、低いデュー
ティーサイクル(duty cycle)を用いてのみ行うことがで
きる。
In current applications, single windows are typically limited to an average power of less than 120 kW using materials such as sapphire and hexagonal boron nitride. With a duration of up to about 3 seconds, a pulsed power level of up to about 550 kW has been achieved, which is based on the low thermal duty of the window, which avoids thermal destruction. cycle).

【0036】本発明のCVDダイヤモンド窓を用いて、
遥かに大きな電力を窓に通すことができ、高電力マイク
ロ波源の操作を可能にし、制御された雰囲気(例えば真
空)中で典型的に用いられているマイクロ波標的体積内
(例えば、各融合炉又は材料処理セル内)への接近を可
能にする。更に、処理中の高温物体から発する赤外線に
対するダイヤモンドの吸収係数が低いことと、ダイヤモ
ンドの熱伝導度が大きいことと相俟って、マイクロ波標
的から放出される熱に対し大きな許容度を与える結果に
なる。
Using the CVD diamond window of the present invention,
Much greater power can be passed through the window, allowing operation of high power microwave sources, within a microwave target volume typically used in a controlled atmosphere (eg, vacuum) (eg, each fusion reactor). Or within the material processing cell). In addition, the low absorption coefficient of diamond for infrared radiation from hot objects during processing, combined with the high thermal conductivity of diamond, results in large tolerances for heat emitted from microwave targets. become.

【0037】窓の所でのマイクロ波ビームの反射が重要
な問題になる場合、これはブルースター角度で窓に入射
する面偏光マイクロ波を用いるか、又は窓の厚さを半波
長の正確な整数倍に近く作ることにより、調整すること
ができる。垂直入射では、厚さを正確に半波長近くにす
る条件により、狭い周波数帯についてのみ最も効果的に
作動する窓を与える結果になる。ブルースター角度で作
動する窓の一つの利点は、それが非常に広い周波数帯に
亙って充分機能を果たすと言うことである。これは、窓
を周波数順応装置で用いる場合、又は異なった周波数の
多重ビームを使用した特別な用途を有することができ
る。
If reflection of the microwave beam at the window is a significant problem, this can be achieved by using plane polarized microwaves incident on the window at Brewster's angle, or by adjusting the thickness of the window to an accurate half-wavelength. It can be adjusted by making it close to an integer multiple. At normal incidence, conditions that make the thickness exactly half a wavelength result in a window that works most efficiently for only a narrow band of frequencies. One advantage of a window operating at Brewster's angle is that it works well over a very wide frequency band. This can have special applications when the window is used in a frequency adaptation device, or with multiple beams of different frequencies.

【0038】図3は、マイクロ波窓の取付けの具体例の
断面を概略的に例示している。この図面に関し、円状断
面を持つ通路12を定めるマイクロ波伝送管10が示さ
れている。通路12を横切ってCVDダイヤモンドの層
又はシート14が伸びており、それは管のための窓とし
て働く。層14は短い金属円筒又はリング16、18
が、ろう付け又は他の方法でその相対する表面14a及
び14bに固定されている。これらのリングはそれ自体
管10に結合されていて、連続的円状密封部又は接合部
を形成する。
FIG. 3 schematically illustrates a cross section of a specific example of mounting a microwave window. With reference to this figure, a microwave transmission tube 10 defining a passage 12 having a circular cross section is shown. Extending across the passage 12 is a layer or sheet 14 of CVD diamond, which serves as a window for the tube. Layer 14 is a short metal cylinder or ring 16, 18
Are fixed to their opposing surfaces 14a and 14b by brazing or other methods. These rings are themselves connected to the tube 10 and form a continuous circular seal or joint.

【0039】中空環24が配備されており、CVDダイ
ヤモンド層14の端領域26を取り囲んでいる。使用
中、冷却流体をパイプ28を通ってその環中へ導入す
る。この冷却流体は、CVDダイヤモンド層14から熱
を取り出すのに役立つ。
A hollow ring 24 is provided and surrounds an end region 26 of the CVD diamond layer 14. In use, cooling fluid is introduced into the annulus through pipe 28. This cooling fluid helps extract heat from the CVD diamond layer 14.

【0040】図面に例示したCVDダイヤモンド層の活
性領域は、円の形をしており、Aで印した領域内に定め
られており、即ち、管10の内面30を境界とする。上
で定義した特性を有するのはこの領域である。
The active area of the CVD diamond layer illustrated in the figures is circular and defined within the area marked A, ie bounded by the inner surface 30 of the tube 10. It is this region that has the properties defined above.

【0041】例示した態様は、マイクロ波伝送管の出口
の態様である。例えば、窓は反応器の入口又は導入口を
横切って配置することもできる。
The illustrated embodiment is an outlet embodiment of the microwave transmission tube. For example, the window can be located across the inlet or inlet of the reactor.

【0042】多重帯用 或る用途では、赤外線及び(又は)マイクロ波及びミリ
波帯での高透過性の性質は、可視帯の透過性と有効に一
緒にすることができる。可視帯での吸収も不純物の存在
に依存するので、本発明の材料は一般に可視帯でも大き
な透過性を示す。本発明のCVDダイヤモンド層は大き
な領域に亙ってこれらの周波数帯全てにおいて同時に低
い誘電損失を達成している。
In some applications for multiple bands , the high transmission properties in the infrared and / or microwave and millimeter wave bands can be effectively combined with the transmission in the visible band. Since the absorption in the visible band also depends on the presence of impurities, the materials according to the invention generally show a large transmission in the visible band. The CVD diamond layer of the present invention achieves simultaneously low dielectric losses in all of these frequency bands over a large area.

【0043】窓の強度についての考察 窓はその保護の役割を果たすのに充分な強度を持つ必要
がある。一般にこのことは、遥かに一層厳密な条件を適
用することもできるが、少なくとも大気圧でその面を通
る圧力差に耐えなければならないことを意味する。
Discussion of Window Strength The window must have sufficient strength to play its protective role. In general, this means that much more stringent conditions can be applied, but must at least withstand the pressure differential across the surface at atmospheric pressure.

【0044】ダイヤモンドのような脆いセラミックの強
度は、この値の実験的変動を示すためワイブルモジュラ
スと一緒にした破壊抗張力によって特徴付けることがで
きる。正確な測定強度値は、傷の影響の統計的性質のた
め、或る程度用いた試験に依存する。今後言及するデー
タは、長さ18mm、幅2mm、0.4〜1.4mmの
範囲の厚さの棒について3点曲げ試験を用いて得られた
ものである。
The strength of a brittle ceramic, such as diamond, can be characterized by its breaking strength combined with Weibull modulus to show experimental variation in this value. The exact measured intensity value depends in part on the test used, due to the statistical nature of the flaw effects. The data mentioned hereafter have been obtained using a three-point bending test on bars 18 mm long, 2 mm wide, and 0.4-1.4 mm thick.

【0045】本発明のCVDダイヤモンド層を製造する
のに適した条件を用いて成長させたCVDダイヤモンド
で得られる強度データは、次のことを示している。
The strength data obtained for CVD diamond grown using conditions suitable for producing the CVD diamond layer of the present invention shows that:

【0046】(a) 試料厚さに対する依存性を示して
いる材料強度は、核生成面を張力下にして600MPa
より大きい下限(一層大きな厚さで)及び成長面を張力
下にして300MPaより大きな値を示す傾向がある。
(A) The material strength showing the dependence on the sample thickness was 600 MPa with the nucleation surface under tension.
It tends to have a larger lower limit (at greater thickness) and a value greater than 300 MPa with the growth surface under tension.

【0047】(b) 成長側よりも核生成側で強度が大
きい。
(B) The strength is higher on the nucleation side than on the growth side.

【0048】(c) もし厚さの影響を考慮に入れるな
らば、大略11のワイブルモジュラス、又は成長面に対
し23のワイブルモジュラス。
(C) If the effect of thickness is taken into account, approximately a Weibull modulus of 11 or 23 for the growth surface.

【0049】一般的方法 本発明のCVDダイヤモンド層は、次の一般的特性を有
する方法を用いて製造することができる。
General Method The CVD diamond layer of the present invention can be manufactured using a method having the following general characteristics.

【0050】(i) マイクロ波反応器に典型的には7
0〜200mmの直径の基体を導入する。この基体は典
型的にはケイ素、タングステン、モリブデン、又は炭化
珪素であり、予め清浄に調整しておき、例えばダイヤモ
ンド粒子(0.5〜10μmの粒径)を用いて、種子を
与える。
(I) Typically 7 in a microwave reactor
A substrate with a diameter of 0 to 200 mm is introduced. The substrate is typically silicon, tungsten, molybdenum, or silicon carbide, which has been preliminarily cleaned and seeded using, for example, diamond particles (0.5-10 μm particle size).

【0051】(ii) 次に材料全体に亙って均一なプラ
ズマを発生させ、H2 中にAr(典型的には0〜20
%)を入れたガス混合物を用いて800〜1000℃の
温度へ上昇させ、その場で少しエッチングして材料表面
を一層清浄にし、調整する。
[0051] throughout (ii) then the material is generated uniform plasma, the Ar (typically in H 2 0 to 20
%) To a temperature of 800-1000 ° C. with a gas mixture and a slight etching in place to further clean and condition the material surface.

【0052】エッチングは強力なので、この段階ではそ
の成分のための室設計及び材料選択が、気相又は基体表
面にプラズマにより材料が移行しないようなものにする
ことが特に重要である。
Because the etching is powerful, it is particularly important at this stage that the chamber design and material selection for its components be such that the material is not transferred by the gas phase or plasma to the substrate surface.

【0053】(iii) CVD成長が行われる環境の不純
物含有量が適切に制御されていることも重要である。特
にこの方法は次の特徴の一つ以上を含むことができる。
(Iii) It is also important that the impurity content of the environment in which the CVD growth is performed is appropriately controlled. In particular, the method can include one or more of the following features.

【0054】(a) ダイヤモンド成長は、添加された
窒素を全く含有しない雰囲気の存在下で起きる。高純度
ガスが使用され(純度99.999%以上)、また、窒
素のバックグラウンドレベルは1ppm未満である。
(A) Diamond growth occurs in the presence of an atmosphere containing no added nitrogen. High purity gas is used (> 99.999% purity) and the background level of nitrogen is less than 1 ppm.

【0055】(b) ダイヤモンド成長が行われる反応
器から成長工程への不純物の移動はできるだけ少なくす
べきである。プラズマが基体の表面(その上にダイヤモ
ンド成長が行われる)及びその取付け具以外の表面と接
触しないように共振マイクロ波装置を用いてもよい。好
ましい室材料の例は、ステンレス鋼、アルミニウム及び
その合金、銅、金、及び白金である。
(B) The transfer of impurities from the reactor where diamond growth takes place to the growth process should be as small as possible. Resonant microwave devices may be used to prevent the plasma from contacting the surface of the substrate (on which diamond growth occurs) and surfaces other than its fixtures. Examples of preferred chamber materials are stainless steel, aluminum and its alloys, copper, gold, and platinum.

【0056】(iv) 用いる基体の面積に一部依存し
て、10〜60kWの大きなマイクロ波電力、及び大き
なガス圧力、即ち50〜400×102 Paの圧力で得
られる大きなプラズマ電力密度を用いる。
(Iv) A large microwave power of 10 to 60 kW and a large plasma power density obtained at a large gas pressure, ie, a pressure of 50 to 400 × 10 2 Pa, are used, depending in part on the area of the substrate used. .

【0057】(v) これらの条件を制御したやり方
で、必要な層の厚さによりかなりの時間になることがあ
る成長期間の間維持する。
(V) These conditions are maintained in a controlled manner during a growth period, which can be quite long depending on the required layer thickness.

【0058】[0058]

【実施例】本発明を更に次の例により例示する。例1 (i) 公称896MHzで作動するマイクロ波反応器
に、予め奇麗にした120mmの直径を有するタングス
テン基体で、典型的には0.2μmの表面Raをもち、
2〜4μmのダイヤモンド粒子を用いて種子を与えた基
体を入れた。
The present invention is further illustrated by the following examples. Example 1 (i) In a microwave reactor operating at a nominal 896 MHz, a pre-cleaned tungsten substrate having a diameter of 120 mm, typically having a surface Ra of 0.2 μm,
The substrate was seeded with 2-4 μm diamond particles.

【0059】(ii) 次いで、約50kWのマイクロ波
電力を用い、基体全体に亙ってプラズマを形成し、14
00sccmのH2 中に20sccmのArの入った混
合物を用いて、130トール(171×102 Pa)で
少なくとも985℃の温度へそれを上昇させ、その場で
短時間エッチングし、基体表面を更に清浄化した。
(Ii) Next, using a microwave power of about 50 kW, a plasma is formed over the entire substrate,
Using a mixture of 20 sccm of Ar in 00 sccm of H 2 , raise it to a temperature of at least 985 ° C. at 130 Torr (171 × 10 2 Pa) and briefly etch in-situ to further etch the substrate surface. Cleaned.

【0060】(iii) 次にCH4 (20sccm)を工
程に添加して成長工程を開始し、その条件を付着期間中
安定に維持した。
(Iii) Next, CH 4 (20 sccm) was added to the process to start the growth process, and the conditions were maintained stably during the deposition period.

【0061】(iv) 用いたガスは全て99.999%
以上の純度を源で有し、使用点近くで更に精製して、プ
ロセスガスが確実に汚染されないようにした。
(Iv) All the gases used are 99.999%
It had the above purity at the source and was further purified near the point of use to ensure that the process gas was not contaminated.

【0062】(v) 成長期間が完了した時、基体を反
応器から取り出し、120mmのCVDダイヤモンド層
を基体から取り外した。その層は1.5mmの厚さを持
っていた。次にその層即ち板を平らに加工し、清浄にし
た。
(V) When the growth period was completed, the substrate was removed from the reactor and the 120 mm CVD diamond layer was removed from the substrate. The layer had a thickness of 1.5 mm. The layer or board was then worked flat and cleaned.

【0063】(vi) CVDダイヤモンド層を成長工程
から取り出し、基体から離した。次に適用するのに適し
たように材料の表面仕上げを修正することもできる。仕
上げた窓の表面粗さ、平坦さ及び平行性についての条件
は、波長及び適用の詳細な点により決定され、基本的な
相関関係は光学工業でよく知られている。マイクロ波ス
ペクトル領域で適用する場合には、波長がmmのオーダ
ーである場合、λ/10の平行条件で200nmより小
さな表面Raで充分であり、精密研磨法により達成する
ことができる。IR及び可視波長を含む併合用途又はI
Rの場合、必要な値を得るために制御された研磨方法を
用いる。
(Vi) The CVD diamond layer was removed from the growth step and separated from the substrate. The surface finish of the material can be modified as appropriate for the next application. Conditions for the surface roughness, flatness and parallelism of the finished window are determined by the wavelength and the specifics of the application, and the basic correlations are well known in the optical industry. When applied in the microwave spectrum region, a surface Ra smaller than 200 nm is sufficient under a parallel condition of λ / 10 when the wavelength is on the order of mm, and can be achieved by a precision polishing method. Merged applications including IR and visible wavelengths or I
In the case of R, a controlled polishing method is used to obtain a required value.

【0064】例2 例1に記載の方法を使用して、直径120mmのCVD
ダイヤモンド層を合成した。この円盤から試料を調製
し、表1に詳述される通りに誘電損失を測定した。表1
は試料の大きさ及び位置、並びに測定した誘電損失を示
す。
Example 2 Using the method described in Example 1, a 120 mm diameter CVD
A diamond layer was synthesized. Samples were prepared from the disks and the dielectric loss was measured as detailed in Table 1. Table 1
Indicates the size and position of the sample and the measured dielectric loss.

【0065】[0065]

【表1】 [Table 1]

【0066】レーザー熱量測定のために調製した試料
を、得られた結果と共に下の表2に詳細に示す。
The samples prepared for laser calorimetry are detailed in Table 2 below, together with the results obtained.

【0067】[0067]

【表2】 [Table 2]

【0068】例3 例1に記載の方法を使用して、直径120mmのCVD
ダイヤモンド層を更に合成した。この円盤から、レーザ
ー熱量測定のための試料を調製した。これらの試料及び
得られた結果を表3に詳述する。
Example 3 Using the method described in Example 1, a 120 mm diameter CVD
A diamond layer was further synthesized. From this disk, a sample for laser calorimetry was prepared. Table 3 details these samples and the results obtained.

【0069】[0069]

【表3】 [Table 3]

【0070】例4 前の例で報告したのと同じ条件で0.4〜1.4mmの
範囲の異なった厚さで一連の円盤を成長させた。次に機
械的試験用試料を、最初の円盤の厚さ(成長したまま)
で、長さ18mm、幅2mmの大きさにそれらの円盤か
ら切断した。次にこれらの試料を成長面を張力下にし、
又は核生成面を張力下にして破壊試験にかけ、得られた
データを図9に示す。成長したままの表面上でマイクロ
メーターを用いて厚さ測定すると、その粗さのために実
際の厚さよりも約10%大きく推定され、そのため実際
の破壊強度は示された値よりも約10%大きくなるであ
ろう。これらの結果から計算したワイブルモジュラスを
表4に与える。傷の大きさ分布が充分決定され、大きな
ワイブルモジュラスを与えれば、材料は工学的用途で非
常によく予測できることに注意することは重要である。
EXAMPLE 4 A series of disks were grown at different thicknesses in the range of 0.4-1.4 mm under the same conditions as reported in the previous example. The mechanical test sample is then transferred to the initial disk thickness (as grown).
Then, these disks were cut into a size of 18 mm in length and 2 mm in width. Next, these samples are placed under tension on the growth surface.
Alternatively, a destructive test is performed with the nucleation surface under tension, and the obtained data is shown in FIG. Thickness measurements using a micrometer on the as-grown surface are estimated to be about 10% greater than the actual thickness due to the roughness, so that the actual breaking strength is about 10% greater than the indicated value. Will grow. Table 4 gives the Weibull modulus calculated from these results. It is important to note that if the flaw size distribution is well determined and gives a large Weibull modulus, the material is very predictable for engineering applications.

【0071】測定した強度は厚さに強く依存する。それ
についての大きな理由は、厚さによる粒径の変動及びそ
れに伴う傷の大きさの増大にあることを示すことができ
る。更に、一層厚い試料では、傷の先端近くの局部的応
力が、中立軸から一層離れるに従って増大し、それのた
め核生成面及び成長面の両方を張力下にして測定した強
度が減少している。表4は、もし成長面の強度の実験的
に観察された変動に適合した関数を用いて強度データを
得るのに用いた厚さの範囲に対して補正して計算したワ
イブルモジュラスを含んでいる。
The measured strength strongly depends on the thickness. The major reason for this can be shown to be the variation in particle size with thickness and the concomitant increase in flaw size. In addition, in thicker samples, the local stress near the tip of the wound increases further away from the neutral axis, thereby decreasing the intensity measured with both the nucleation and growth surfaces under tension. . Table 4 contains the Weibull modulus calculated for the range of thicknesses used to obtain the intensity data using a function adapted to the experimentally observed variations in the intensity of the growth surface. .

【0072】[0072]

【表4】 [Table 4]

【0073】例5 前の実施例に記載したのと同様な条件で合成した円盤か
ら一連の試料をとり、0.3〜1.2mmの範囲の厚さ
に加工した。これらの試料の熱伝導度を、既知のレーザ
ーフラッシュ法を用いて測定し、18W/cmKより大
きな値が得られた。
Example 5 A series of samples were taken from a disk synthesized under the same conditions as described in the previous example and processed to a thickness in the range 0.3-1.2 mm. The thermal conductivity of these samples was measured using a known laser flash method and found to be greater than 18 W / cmK.

【0074】例6 例2に記載したものと同様な条件であるが、但し圧力を
246×102 Paにし、メタン濃度を1.4%にした
条件を用いて、直径120mm、厚さ2300μmのC
VDダイヤモンド層を合成した。
Example 6 The same conditions as those described in Example 2 were used except that the pressure was 246 × 10 2 Pa and the methane concentration was 1.4%, and the diameter was 120 mm and the thickness was 2300 μm. C
A VD diamond layer was synthesized.

【0075】円盤を直径100mm、厚さ1827μm
に加工し、両面を研磨した。170GHzの周波数で損
失角(マイクロラジアン)は、円盤の中心及び円盤の大
部分にわたって20であることが判明した。縁近くの小
さな一つの領域では、約50マイクロラジアンの損失角
を持っていた。試料は、マイクロ波ビーム−進行波状態
で試験した。
The disk is 100 mm in diameter and 1827 μm in thickness
And polished on both sides. At a frequency of 170 GHz, the loss angle (microradians) was found to be 20 over the center of the disk and over most of the disk. One small area near the edge had a loss angle of about 50 microradians. The samples were tested in the microwave beam-traveling wave state.

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

【図1】本発明のCVDダイヤモンド層について145
GHzで測定した誘電損失の温度による変動を、(HE
M IDEX−)サファイアについての典型的なデータ
と比較できるように示したグラフである。
FIG. 1 shows 145 for a CVD diamond layer of the present invention.
The variation of the dielectric loss with temperature measured at GHz is calculated as (HE
FIG. 3 is a graph shown for comparison with typical data for M IDEX-) sapphire.

【図2】或る範囲の試料及び配向について共振空洞で室
温、即ち20℃で測定した35〜145GHzの範囲に
亙る誘電損失の周波数変動を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the frequency variation of dielectric loss over a range of 35-145 GHz measured at room temperature, ie, 20 ° C., in a resonant cavity for a range of samples and orientations.

【図3】マイクロ波伝送管の出口部分の態様の概略的断
面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view of an embodiment of an outlet portion of the microwave transmission tube.

【図4A】厚さを材料の成長したままの厚さとし、この
試験では0.4〜1.4mmの範囲にある厚さで、長さ
18mm、幅2mmの棒について得られた機械的強度デ
ータを示すグラフであり、成長面を張力下にして得られ
た強度データを示す。
FIG. 4A is the as-grown thickness of the material and the mechanical strength data obtained in this test for rods 18 mm long and 2 mm wide with thicknesses in the range of 0.4-1.4 mm. Is a graph showing strength data obtained by setting the growth surface under tension.

【図4B】前記棒について、核生成面を張力下にして得
られた機械的強度データを示す。
FIG. 4B shows mechanical strength data obtained for the rod with the nucleation surface under tension.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 マイクロ波伝送管 12 通路 14 CVDダイヤモンド窓 Reference Signs List 10 microwave transmission tube 12 passage 14 CVD diamond window

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リカルド サイモン サスマン イギリス国サーレイ,ギルドフォード,フ ロビシャー ガーデンズ 3 (72)発明者 ジョン ロバート ブランドン イギリス国ハンプシャー,ウィンチェスタ ー,マイケルドーバー,ノースブルック, リスラナン (72)発明者 カールトン ナイジェル ドッジ イギリス領マン島ダグラス,ハークロフト アベニュー 33 (72)発明者 チャールズ サイモン ジェームズ ピク ルス イギリス国トウィッケナム,チャートセイ ロード,ケイブンディッシュ ハウス 1 (72)発明者 アンドリュー ジョン ホワイトヘッド イギリス国サーレイ,キャンバーリー,チ ェイルスモア ドライブ 60 (72)発明者 クリストファー ジョン ハワード ワー ト イギリス国オクセン,ウォンテイジ,アッ プソープ ドライブ 61 (72)発明者 スチーブン エドワード コー イギリス国サーレイ,ワーキング,セン ド,ボウトン ホール アベニュー,ウェ ストランズ ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Ricardo Simon Sussman Surrey, Guildford, Frovisher Gardens, England 3 (72) Inventor John Robert Brandon, Hampshire, England Winchester, Michael Dover, Northbrook, Lithranan ( 72) Inventor Carlton Nigel Dodge Douglas, British Isles, Harcroft Avenue 33 (72) Inventor Charles Simon James Picrus Twickenham, Chartsey Road, Cavendish House 1 (72) Inventor Andrew John Whitehead Surrey, England , Camberley, Chelesmore Drive 60 (7 2) Inventor Christopher John Howard Wort Upsorp Drive 61, Oxen, Wantage, United Kingdom (72) Inventor Stephen Edward Co. Surrey, Working, Send, England, Boughton Hall Avenue, West England

Claims (30)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 次の性質: (i) 少なくとも3200mm2 の活性領域、 (ii) 20℃以下の温度で次の条件の一方又は両方を
満足する、活性領域に亙る、平均誘電損失:10.6μ
mで0.1cm-1未満の吸収係数、140GHzで15
0マイクロラジアンを超えない損失角、を示すCVDダ
イヤモンド層を有する赤外以上の長い波長に対する電磁
透過窓。
1. The following properties: (i) an active area of at least 3200 mm 2 , (ii) an average dielectric loss over the active area at a temperature of less than or equal to 20 ° C. that satisfies one or both of the following conditions: 6μ
absorption coefficient of less than 0.1 cm -1 at m, 15 at 140 GHz
Electromagnetic transmission window for long wavelengths above infrared with a CVD diamond layer exhibiting a loss angle not exceeding 0 microradians.
【請求項2】 活性領域が円で少なくとも65mmの直
径を有する、請求項1に記載の窓。
2. The window according to claim 1, wherein the active area has a circular diameter of at least 65 mm.
【請求項3】 活性領域が円で少なくとも100mmの
直径を有する、請求項1に記載の窓。
3. The window according to claim 1, wherein the active area has a diameter of at least 100 mm in a circle.
【請求項4】 活性領域が楕円であり、少なくとも65
mmの長軸を有する、請求項1に記載の窓。
4. The active area is elliptical and at least 65
The window of claim 1 having a major axis of mm.
【請求項5】 活性領域が楕円であり、少なくとも10
0mmの長軸を有する、請求項1に記載の窓。
5. The active area is elliptical and at least 10
The window of claim 1 having a major axis of 0 mm.
【請求項6】 140GHzの周波数で、100マイク
ロラジアン未満の損失角を有する、請求項1〜5のいず
れか1項に記載の窓。
6. A window according to claim 1, having a loss angle of less than 100 microradians at a frequency of 140 GHz.
【請求項7】 140GHzでの活性領域の誘電損失
が、200K〜500Kの温度範囲に亙って100℃当
たりの上昇が20%未満である、請求項1〜6のいずれ
か1項に記載の窓。
7. The method according to claim 1, wherein the dielectric loss in the active region at 140 GHz is less than 20% per 100 ° C. over the temperature range from 200 K to 500 K. window.
【請求項8】 140GHzでの活性領域の誘電損失
が、温度上昇と共に低下する、請求項1〜6のいずれか
1項に記載の窓。
8. The window according to claim 1, wherein the dielectric loss of the active region at 140 GHz decreases with increasing temperature.
【請求項9】 10.6μmで、0.05cm-1未満の
吸収係数を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載
の窓。
9. The window according to claim 1, having an absorption coefficient of less than 0.05 cm −1 at 10.6 μm.
【請求項10】 活性領域に亙る誘電損失が、1cmよ
り大きい直径のどの領域でも、請求項1〜9のいずれか
1項の(ii)項に記載した平均誘電損失を2倍より多く
は超えない充分均一なものになっている、請求項1〜9
のいずれか1項に記載の窓。
10. The dielectric loss over the active region, in any region with a diameter greater than 1 cm, exceeds the average dielectric loss according to (ii) of any one of claims 1 to 9, more than twice. 10. Not sufficiently uniform.
A window according to any one of the preceding claims.
【請求項11】 140GHzでの活性領域の誘電率
が、200K〜500Kの温度範囲に亙って100℃上
昇当たりの変動が0.5%未満である、請求項1〜10
のいずれか1項に記載の窓。
11. The dielectric constant of the active region at 140 GHz has a variation of less than 0.5% per 100 ° C. increase over a temperature range of 200 K to 500 K.
A window according to any one of the preceding claims.
【請求項12】 活性領域が、15W/cmKより大き
な熱伝導度を有する、請求項1〜11のいずれか1項に
記載の窓。
12. The window according to claim 1, wherein the active region has a thermal conductivity of more than 15 W / cmK.
【請求項13】 活性領域が、18W/cmKより大き
な熱伝導度を有する、請求項1〜11のいずれか1項に
記載の窓。
13. The window according to claim 1, wherein the active region has a thermal conductivity of more than 18 W / cmK.
【請求項14】 長さ18mm、幅2mm、及び厚さ
1.4mm以下の試料について3点曲げ試験により測定
して、活性領域の強度が、破断抗張力が核生成面を張力
下にして600MPaを超え、成長面を張力下にして3
00MPaを超える強度を有する、請求項1〜13のい
ずれか1項に記載の窓。
14. A sample having a length of 18 mm, a width of 2 mm, and a thickness of 1.4 mm or less is measured by a three-point bending test to determine that the strength of the active region is 600 MPa when the tensile strength at break is lower than the nucleation surface under tension. Exceed, 3 with growth surface under tension
14. The window according to any one of claims 1 to 13, having a strength greater than 00 MPa.
【請求項15】 X線照射下の誘電損失が、0.75G
y/sの線量率に対し200%より多くは増加しない、
請求項1〜14のいずれか1項に記載の窓。
15. A dielectric loss under X-ray irradiation of 0.75 G
does not increase by more than 200% for a dose rate of y / s,
The window according to claim 1.
【請求項16】 X線照射下の誘電損失が、0.75G
y/sの線量率に対し30%より多くは増加しない、請
求項1〜14のいずれか1項に記載の窓。
16. A dielectric loss under X-ray irradiation of 0.75 G
15. A window according to any one of the preceding claims, wherein the window does not increase by more than 30% for a dose rate of y / s.
【請求項17】 20℃以下の温度で、次の条件:1
0.6μmで0.02cm-1未満の吸収係数、140G
Hzで50マイクロラジアン未満の損失角、の一方又は
両方を満足する平均誘電損失を有する活性領域を有す
る、CVDダイヤモンド層を有する赤外以上の波長に対
する電磁透過窓。
17. At a temperature below 20 ° C., the following conditions:
Absorption coefficient of less than 0.02 cm -1 at 0.6 μm, 140 G
An electromagnetic transmission window for wavelengths above infrared with a CVD diamond layer having an active region with an average dielectric loss that satisfies one or both of the loss angles at 50 Hz and less than 50 microradians.
【請求項18】 活性領域が、10.6μmで0.01
5cm-1未満の吸収係数を有する、請求項17に記載の
窓。
18. The method according to claim 1, wherein the active area is 0.01 at 10.6 μm.
18. The window of claim 17, having an absorption coefficient of less than 5 cm- 1 .
【請求項19】 活性領域が、140GHzで20マイ
クロラジアン未満の損失角を有する、請求項17に記載
の窓。
19. The window of claim 17, wherein the active region has a loss angle of less than 20 microradians at 140 GHz.
【請求項20】 140GHzでの活性領域の誘電損失
が、200K〜500Kの温度範囲に亙って100℃当
たりの上昇が20%未満である、請求項17〜19のい
ずれか1項に記載の窓。
20. The method according to claim 17, wherein the dielectric loss in the active region at 140 GHz is less than 20% per 100 ° C. over the temperature range from 200 K to 500 K. window.
【請求項21】 140GHzでの活性領域の誘電損失
が、温度上昇と共に低下する、請求項17〜19のいず
れか1項に記載の窓。
21. A window according to any one of claims 17 to 19, wherein the dielectric loss of the active region at 140 GHz decreases with increasing temperature.
【請求項22】 140GHzでの活性領域の誘電率
が、200K〜500Kの温度範囲に亙って100℃上
昇当たりの変動が0.5%未満である、請求項17〜2
1のいずれか1項に記載の窓。
22. The method of claim 17, wherein the dielectric constant of the active region at 140 GHz varies less than 0.5% per 100 ° C. increase over the temperature range of 200 K to 500 K.
A window according to any one of the preceding claims.
【請求項23】 活性領域が、15W/cmKより大き
な熱伝導度を有する、請求項17〜22のいずれか1項
に記載の窓。
23. A window according to any one of claims 17 to 22, wherein the active region has a thermal conductivity of greater than 15 W / cmK.
【請求項24】 活性領域が、18W/cmKより大き
な熱伝導度を有する、請求項17〜22のいずれか1項
に記載の窓。
24. A window according to any one of claims 17 to 22, wherein the active region has a thermal conductivity of greater than 18 W / cmK.
【請求項25】 長さ18mm、幅2mm、及び厚さ
1.4mm以下の試料について3点曲げ試験により測定
して、活性領域の強度が、破断抗張力が核生成面を張力
下にして600MPaを超え、成長面を張力下にして3
00MPaを超える強度を有する、請求項17〜24の
いずれか1項に記載の窓。
25. A sample having a length of 18 mm, a width of 2 mm, and a thickness of 1.4 mm or less is measured by a three-point bending test to determine that the strength of the active region is 600 MPa when the tensile strength at break is lower than that of the nucleation surface. Exceed, 3 with growth surface under tension
The window according to any one of claims 17 to 24, having a strength of more than 00 MPa.
【請求項26】 活性領域に亙る誘電損失が、1cmよ
り大きい直径のどの領域でも、請求項17〜21のいず
れか1項に記載した吸収係数又は損失正接限界を2倍よ
り多くは超えない充分均一なものになっている、請求項
17〜25のいずれか1項に記載の窓。
26. The dielectric loss over the active region, in any region with a diameter of more than 1 cm, does not exceed the absorption coefficient or the loss tangent limit according to claim 17 by more than twice. 26. The window according to any one of claims 17 to 25, wherein the window is uniform.
【請求項27】 ダイヤモンドが多結晶質ダイヤモンド
である、請求項1〜26のいずれか1項に記載の窓。
27. The window according to claim 1, wherein the diamond is a polycrystalline diamond.
【請求項28】 ダイヤモンドが単結晶又は高度に配向
した多結晶質ダイヤモンドである、請求項1〜27のい
ずれか1項に記載の窓。
28. The window according to claim 1, wherein the diamond is a single crystal or a highly oriented polycrystalline diamond.
【請求項29】 形が平面、ドーム、半球、オジーブ、
又は非球面の一部である、請求項1〜28のいずれか1
項に記載の窓。
29. A flat, dome, hemisphere, ogive,
Or one of an aspherical surface.
Windows as described in section.
【請求項30】 請求項1〜29のいずれか1項に記載
の特性を有する、赤外線以上の波長に対する電磁透過窓
として用いられるCVDダイヤモンド層。
30. A CVD diamond layer having the characteristics described in any one of claims 1 to 29 and used as an electromagnetic transmission window for wavelengths longer than infrared light.
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