WO2014196439A2 - 電波測定装置 - Google Patents

電波測定装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2014196439A2
WO2014196439A2 PCT/JP2014/064208 JP2014064208W WO2014196439A2 WO 2014196439 A2 WO2014196439 A2 WO 2014196439A2 JP 2014064208 W JP2014064208 W JP 2014064208W WO 2014196439 A2 WO2014196439 A2 WO 2014196439A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radio wave
radiation
measuring device
radiation shield
radio
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/064208
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2014196439A3 (ja
Inventor
治 田島
秀悟 小栗
Original Assignee
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 filed Critical 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
Priority to EP14807836.3A priority Critical patent/EP3006945B1/en
Priority to JP2015521411A priority patent/JP6029079B2/ja
Publication of WO2014196439A2 publication Critical patent/WO2014196439A2/ja
Publication of WO2014196439A3 publication Critical patent/WO2014196439A3/ja
Priority to US14/957,151 priority patent/US10215787B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response
    • G01R27/32—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
    • G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/1021—Earth observation satellites
    • B64G1/1042—Earth observation satellites specifically adapted for meteorology
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/105—Space science
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a radio wave measuring apparatus. More particularly, the present invention relates to a large-diameter radio wave measuring apparatus that enables highly sensitive radio wave measurement at extremely low temperatures.
  • radio wave detector used in the 45 mm radio telescope is placed in a vacuum dewar cooled to about 20K.
  • Patent Document 1 discloses a cooling window material and a window material having a large diameter of at least 170 mm as well as characteristics of efficiently absorbing thermal infrared rays, high thermal conductivity, high transparency in the submillimeter wave region, and low reflection loss.
  • the structure of the cryogenic cooling apparatus for astronomical observation apparatuses provided with this, and the inspection equipment using terahertz wave observation are disclosed.
  • As the window material a cooling window material in which a single crystal sapphire substrate is used as a base material, a cut surface is formed as a C surface, and a thick anti-reflection film of silicon oxide (SiOx) is formed on the surface of the sapphire substrate.
  • SiOx silicon oxide
  • Patent Document 2 discloses a system in which a test object is placed in a vacuum container having a thermos structure and the vacuum container is cooled to a cryogenic temperature.
  • this method is effective for external heat insulation, there is no description or suggestion about a means for exhausting heat radiated in the vacuum vessel.
  • Patent Document 3 a nested vacuum dewar, a multilayer radiation shield plate is provided on the wall surface of each dewar, the innermost dewar is filled with refrigerant, and a superconducting winding is placed in the refrigerant.
  • a cryocontainer is disclosed.
  • this method is effective for external heat insulation, there is no description or suggestion about a means for exhausting heat radiated in the cooling vessel.
  • an optical glass filter such as an ultraviolet filter, a visible light filter, an infrared filter, or a plastic filter is used.
  • the absorption heat of the filter is exhausted by a refrigerator or the like.
  • Optical glass filters and plastic filters have a high refractive index and a property of reflecting a part of radio waves. Therefore, the thicker the filter is, the less radio waves are transmitted. For this reason, a certain amount of electromagnetic waves such as ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and far infrared rays are passed through the window filter.
  • Optical glass filters and plastic filters require antireflection processing, and antireflection processing requires advanced techniques.
  • the sensitivity of the radio wave measuring instrument is improved in proportion to the opening area of the radio wave entrance window, but on the other hand, increasing the diameter of the window causes an increase in intrusion heat, so it is very difficult to increase the diameter of the window. .
  • the radio wave measuring device in which the radio wave detector is placed in the vacuum cryogenic container maintains the low temperature of the cryogenic container by the heat insulating material, but the heat insulating principle is the vacuum multilayer used in a general refrigerator. Since it is the same as the principle of heat insulating material (MLI: multi-layer insulation), that is, the principle of heat insulation using radiation equilibrium, the MLI is provided along the wall of the cryogenic container so as to wrap the cryogenic container.
  • MLI multi-layer insulation
  • the radio wave measuring device is used, for example, as a radio wave measuring device for a radiometer.
  • a radiometer is disclosed in Patent Document 4, for example.
  • Patent Document 4 discloses performing radio wave detection at room temperature, but does not describe or suggest placing the radio wave detector at a low temperature. Only a cooling means for immersing the black body in liquid nitrogen for temperature calibration is disclosed.
  • the radio wave measurement device is, for example, a radio wave measurement device for an astronomical telescope, a radio wave measurement device for a radiometer, a radio wave measurement device for a meteorological satellite, a radio wave measurement device for an exploration satellite, or a radio wave for radar. It is used as a measuring device.
  • These radio wave measuring apparatuses obtain the temperature of the measurement object based on the measurement of the intensity of the radio wave radiated from the measurement object such as a celestial body, the sky, an object, and a substance.
  • High sensitivity of radio wave measurement is required for all radio wave measurement devices. For example, high-sensitivity measurement of cosmic background radiation with an astronomical telescope contributes to the elucidation of the origin of the universe.
  • High-sensitivity radio wave measurement with a radiometer contributes to rapid prediction of natural disasters and disaster prevention.
  • Highly sensitive radio wave measurement by meteorological satellites contributes to rapid prediction of weather changes and prevention of natural disasters.
  • High-sensitivity radio wave measurement by exploration satellites contributes to new discovery of buried resources, for example.
  • High-sensitivity radio wave measurement by radar contributes to speeding up moving object tracking.
  • the radio wave that enters the container in which the radio wave detector is placed through the window of the radio wave measurement device includes an undesired electromagnetic wave in addition to the target radio wave.
  • Natural electromagnetic waves include gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and far infrared rays in addition to radio waves of 3 THz or less stipulated by the Radio Law.
  • gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and far infrared rays are undesired electromagnetic waves and are noises for the measurement of intended radio waves.
  • an undesired electromagnetic wave must be removed before the radio wave measuring device.
  • undesired electromagnetic waves ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, and far infrared rays are heat radiation sources that are easily absorbed by substances of 10 ⁇ 2 eV or more, and are large noises unless they are exhausted outside the measurement system.
  • radio waves since radio waves have a small energy of 10 ⁇ 2 eV or less, it is essential to cut the electromagnetic noise for radio wave measurement. Therefore, an ideal radio wave measurement is to measure only a target radio wave in which an undesired electromagnetic wave is completely cut by a radio wave detector placed under absolute zero.
  • the radio wave measurement is performed at a low temperature by using a device in which a radio wave detector is simply placed in a vacuum vessel or a cryogenic vessel. For this reason, radio wave measurement at low temperatures has the effect of moving the radiant heat of the radio wave detector itself to the cooling source, but the electromagnetic wave as the heat radiation source contained in the radio wave has not been removed. For this reason, it has been difficult to measure with high sensitivity using a radio wave detector.
  • an object of the present invention is to provide a radio wave measuring apparatus that enables radio waves to be measured with a sensitivity that is 10 times higher than that of the prior art.
  • the present inventors have transmitted the target radio wave among the radio waves entering the vacuum vessel and reflected the undesired electromagnetic wave included in the transmitted radio wave, A new means of collecting reflections as heat and efficiently exhausting heat was found (named electromagnetic wave vacuum reflection heat insulation method), and the present invention was completed based on this finding.
  • a vacuum container (first radiation shield) that can be cooled, comprising a window for receiving radio waves, a radiation shielding filter placed under the window, and a radio wave transmissive material placed under the radiation shielding filter;
  • a radio wave detector provided in the first radiation shield and placed below the radio wave transmissive material, A target radio wave included in the radio wave incident through the window is transmitted by the radiation shielding filter, and then an undesired electromagnetic wave included in the transmitted radio wave is directed to the radiation shield filter by the radio wave transmissive material.
  • the radio wave measuring apparatus has a configuration in which the radio wave transmitted through the radio wave transmitting material is measured with high sensitivity by the radio wave detector. 2.
  • a radiation shield having the same structure size as the first radiation shield is nested, and the radio wave detector is placed in the last radiation shield.
  • a radio wave measuring device A target radio wave included in the radio wave incident through the window is transmitted by each radiation shielding filter of the radiation shield group, and then an undesired electromagnetic wave included in the transmitted radio wave is transmitted through each radio wave of the radiation shield group.
  • the radio wave measuring apparatus according to 1 above wherein the radio wave transmitted through each radio wave transmissive material of the radiation shield group is highly sensitively measured by a radio wave detector placed on the last radiation shield.
  • the configuration was as follows. 3. It was set as the structure of the radio wave measuring apparatus of said 1 or 2 used for the radio wave measuring apparatus for astronomical telescopes. 4). It was set as the structure of the radio wave measuring apparatus of said 1 or 2 used for the radio wave measuring apparatus for radiometers. 5.
  • the radio wave measuring apparatus according to 1 or 2 is used for a radio wave measuring apparatus for radar.
  • the present invention provides a radio wave transmission in which a target radio wave is transmitted through a radiation shielding filter and a non-target electromagnetic wave included in the transmitted radio wave is placed under the radiation shielding filter in a vacuum vessel that can be cooled. Since it is reflected toward the radiation shielding filter by the conductive material, heat is collected as heat to the radiation shielding filter, and heat can be exhausted outside the system by heat conduction of the radiation shielding filter. Can reach a very low temperature. As a result, it is possible to reduce the cooling load to 1/10 or less of the conventional one, and it is possible to measure a large-diameter radio wave with high sensitivity. 2.
  • the radio wave transmissive material As the radio wave transmissive material, a radio wave transmissive material having high reflection of ultraviolet rays, visible light, infrared rays, and far infrared rays and having high heat insulation properties can be used. Can be maintained at a very low temperature. As a result, it is possible to perform high-sensitivity measurement 10 times or more than conventional. 3.
  • the radio wave transmitting material used in the present invention is preferably a material in which two or more radio wave transmitting materials are laminated. 4).
  • the amount of heat Hr per unit time when the reflected electromagnetic wave is converted into heat as an index of the reflection performance of the radio wave transmitting material is usually 1 MJ / m 2 or more.
  • m 2 is a unit planar area of the radio wave transmitting material. 5.
  • the radio wave transmittance of a target frequency band and the transmissivity of an electromagnetic wave of a non-target frequency band can be given.
  • the transmittance of radio waves below 400 GHz in the frequency band is 90% or higher, and the transmittance of electromagnetic waves above 1 THz is 95%. It is as follows. 6).
  • the electromagnetic wave reflectivity of the radio wave transmitting material only needs to satisfy either 4 or 5. 7).
  • a foamed resin material is preferable.
  • the foamed resin material has a high radio wave transmission property for transmitting a desired radio wave and a property of reflecting an undesired electromagnetic wave. Therefore, even if the window is enlarged, a new load is not given to the refrigerator. 8).
  • the present invention relates to a radio wave measuring device for a radio telescope, a radio wave measuring device for a radiometer, a radio wave measuring device for a weather satellite, a radio wave measuring device for an exploration satellite, a radio wave measuring device for a radar, etc. Is available as
  • a photograph (A) is a panoramic view of the radio wave measuring apparatus of the present invention.
  • the photograph (B) is a copy of a laminate of foamed polystyrene resin sheets.
  • Graph A shows the temperature difference between the central portion and the end portion of the lower surface of the radio wave transmitting material in the third radiation shield.
  • Graph B shows the relationship between the number of stacked radio wave transmissive materials in the third shield and the amount of heat input (W).
  • RT-MLI is one of radio wave transmissive materials (radio-transparent multi-layer insulator). It is a graph explaining the experimental result obtained by a cooling test.
  • Graph C shows the relationship between the number of laminated radio wave permeable materials and radio wave transmittance.
  • Table 1 shows that 12 sheets (thickness 3 mm) of expanded polystyrene resin (trade name: Styrofoam, registered trademark of Dow Chemical Co., Ltd.) are laminated as a radio wave transmitting material in the first radiation shield. It is a table
  • the present invention is based on the new technical idea of “electromagnetic wave vacuum reflection heat insulation method”.
  • "Electromagnetic wave vacuum reflection heat insulation method” means that a heat-radiating electromagnetic wave contained in the electromagnetic wave does not block the passage of the electromagnetic wave contained in the electromagnetic wave incident on the vacuum space through the vacuum. It means that heat is insulated by blocking the penetration of heat by being reflected in the direction opposite to the traveling direction of electromagnetic waves due to the presence of a transmissive material.
  • the present invention does not directly cool and exhaust the heat absorbed by the heat insulating material as in the prior art.
  • the present invention does not require active cooling of the heat.
  • the cooling in the present invention is sufficient by cooling the vacuum vessel to a predetermined temperature. The time required for cooling the vacuum vessel to a predetermined temperature can be greatly reduced as compared with the conventional case.
  • the window is an opening for entering and exiting electromagnetic waves provided in the vacuum vessel.
  • the window is not particularly limited as long as it is a material that transmits a target radio wave and can withstand vacuum pressure. Examples thereof include polyethylene resin material, polypropylene resin material, polystyrene resin material, polyethylene terephthalate resin material, polytetrafluoroethylene resin material, acrylic resin material, polycarbonate resin material, and foamed resin materials thereof.
  • the electromagnetic wave is an electromagnetic wave in which radio waves of 3 THz or less stipulated by the Radio Law and gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible rays, infrared rays, far infrared rays, etc. are mixed.
  • the radio wave is a radio wave of 3 THz or less defined by the Radio Law.
  • the present invention can transmit radio waves in a specific frequency region among radio waves of 3 THz or less depending on the purpose. For example, radio waves of 400 GHz or less can be transmitted with a transmittance of 90% or more for radio telescope, radiometer, weather observation satellite, exploration satellite, and radar radio measurements.
  • the reflection includes contributions of both thermal radiation and mirror reflection in the reflection direction.
  • the degree of reflection depends on the radio wave transmitting material.
  • the amount of electromagnetic waves reflected by the radio wave transmissive material increases as the number (N) of radio wave transmissive materials increases, and the electromagnetic wave when an incident electromagnetic wave having a heat conversion amount q 1 passes through the N radio wave transmissive materials.
  • the heat conversion amount q N + 1 is q N + 1 ⁇ q 1 / N + 1.
  • the radiation shielding filter is a filter for shielding electromagnetic waves contained in radio waves and transmitting the radio waves.
  • This radiation shielding filter can transmit a target radio wave.
  • a filter suitable for transmitting a target radio wave can be selected as appropriate.
  • a plastic material is suitable for transmitting radio waves of 3 THz or less defined by the Radio Law.
  • a foamed resin material can also be used as the plastic material.
  • the plastic material may sandwich a metal mesh. Examples of the foamed resin include polyethylene resin, polypropylene resin, polystyrene resin, polyethylene terephthalate resin, polytetrafluoroethylene resin, acrylic resin, and polycarbonate resin.
  • a foamed resin radiation shielding filter may be inserted into the window.
  • the radio wave transmissive material is a material for shielding electromagnetic waves contained in radio waves passing through the radiation shielding filter and transmitting radio waves.
  • the radio wave transmissive material can reflect an undesired electromagnetic wave and transmit a target radio wave.
  • As the radio wave permeable material a material suitable for reflecting an undesired electromagnetic wave and transmitting the intended radio wave can be appropriately selected.
  • the amount of heat conduction Ht per unit time of the radiation shielding filter and the amount of heat converted radiation amount Hr of electromagnetic waves reflected by the radio wave transmitting material for one hour are normally adjusted so that Ht ⁇ Hr.
  • Hr is usually 1 MJ / m 2 or more.
  • m 2 is a unit plane area of the radiation shielding filter and the radio wave transmitting material. This Hr refers to the amount of solar radiation for 1 hour. Japan's hourly solar radiation is 1 MJ / m 2 to 4 MJ / m 2 .
  • the transmittance of radio waves in a target frequency band As another index for the electromagnetic wave reflectivity of the radio wave transmissive material, it is possible to give the transmittance of radio waves in a target frequency band and the transmittance of electromagnetic waves in a non-target frequency band.
  • the transmittance of radio waves below 400 GHz in the frequency band is 90% or higher, and the transmittance of electromagnetic waves above 1 THz is 95%. It is as follows.
  • the radio wave permeable material is preferably a laminate of two or more radio wave transmissive materials. By laminating, gaps are formed, the heat insulation effect is further improved, and the refractive index is comparable to that of air, so antireflection processing is not necessary. Since the laminate of radio wave permeable materials does not cause a large increase in cooling load, the cooling load does not increase so much even if the window is enlarged.
  • a foamed resin material is preferable.
  • the foamed resin material has high heat insulating properties and high radio wave permeability.
  • This foamed resin material sheet, film, etc.
  • a gap is formed, and the heat insulating effect is further improved and the refractive index is the same as that of air. Therefore, antireflection processing is not required.
  • the use of the laminate of the foamed resin material does not cause a large increase in the cooling load. Therefore, the cooling load is not so large even if the window is enlarged.
  • a radio wave transmitting material made of a foamed resin is excellent in the property of reflecting electromagnetic waves, and therefore, it is considered that the film structure of the foamed resin material has an influence.
  • foamed resin material examples include foamed polystyrene resin material, foamed polyethylene resin material, foamed nylon resin material, foamed polypropylene resin material, foamed polytetrafluoroethylene resin material, foamed acrylic resin material, and the like. be able to. Among these, a foamed polystyrene resin material is preferable.
  • the thickness of one piece of the foamed resin material is preferably about 2 mm to 5 mm. More preferably, it is 2 mm to 3 mm.
  • the radio wave transmissive material includes materials that can be used other than the foamed resin material. For example, synthetic fiber, natural fiber, etc. are mentioned.
  • the radiation shielding filter and the radio wave transmitting material are laid so as not to be parallel to the traveling direction of the incident electromagnetic wave.
  • the radiation shielding filter surface and the radio wave transmitting material surface are usually arranged so as to be perpendicular to the traveling direction of electromagnetic waves.
  • the radio wave detector can detect radio waves having a frequency of 3 THz or less as defined by the Radio Law.
  • the vacuum container that can be cooled is a container that can be cooled, in which a space is created in which the pressure is lower than atmospheric pressure.
  • the vacuum degree of the vacuum vessel is usually 10 ⁇ 1 Pa or less, preferably 10 ⁇ 3 Pa or less, more preferably 10 ⁇ 5 Pa or less. That it can be cooled means that it can be cooled by using a refrigerator.
  • the cooling is to transfer heat using the principle of a heat pump. Cooling is performed using a refrigerator.
  • a refrigerant-free refrigerator that does not use liquid refrigerant as a cold material is preferably used in the present invention.
  • the refrigerant-free refrigerator is a mechanical refrigerator that performs cooling by repeatedly compressing and expanding helium gas using a compressor. Also called GM refrigerator or pulse tube refrigerator.
  • GM refrigerator or pulse tube refrigerator.
  • a cryogenic refrigerator having a first stage and a second stage is usually used as the refrigerant-free refrigerator.
  • the temperature at which the vacuum vessel is cooled by the refrigerator is preferably an extremely low temperature.
  • the cryogenic temperature usually means a temperature of 10K or lower, preferably 4K or lower, more preferably 1K or lower.
  • the high-sensitivity measurement is to measure with a signal sufficiently larger than noise by reducing noise.
  • Sensitivity indicators vary depending on the measuring instrument, radio wave measurement target, and the like.
  • the present invention will be described in detail as an embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as “the present embodiment”) with reference to the drawings. Further, the present invention is not limited to the present embodiment, and includes various variations conceived by the present embodiment, the idea of the present invention, and the scope of claims.
  • FIG. 1 shows a radio wave measuring apparatus A according to claim 1.
  • the radio wave measuring apparatus A is placed under a window (1) for receiving radio waves (Z), a radiation shielding filter (2) placed below the window (1), and a radiation shielding filter (2).
  • a radio wave detector (4) placed on the radio wave detector (4), wherein a target radio wave included in the radio wave incident through the window (1) is transmitted by the radiation shielding filter (2), Subsequently, an undesired electromagnetic wave contained in the transmitted radio wave is reflected by the radio wave transmissive material (3) toward the radiation shielding filter (2), collected as heat by the radiation shielding filter (2), and radiated. Heat is removed from the system due to the heat conduction of the filter (2).
  • Radio waves transmitted through the radio wave transmitting material (3) has the configuration of a radio wave measuring apparatus A, characterized in that it is sensitive
  • FIG. 2 shows a radio wave measuring apparatus B according to claim 2.
  • the first shield (Q) and the first shield (Q) include radiation shields (R, S) having the same structure size as the first radiation shield (Q).
  • a radio wave measuring apparatus B which is nested and has a radio wave detector (4) placed in the last radiation shield (S), and is included in the radio wave (Z) incident through the window (1) Is transmitted through each radiation shielding filter (2) of the radiation shield group (Q, R, S), and then undesired electromagnetic waves contained in the transmitted radio wave are transmitted to the radiation shield group (Q, R, S).
  • each radio wave transmitting material (3) is collected as heat on the radiation shielding filter (2) of the radiation shield group (Q, R, S), The heat is exhausted outside the system due to the heat conduction of the radiation shielding filter (2).
  • the radio wave transmitted through each radio wave transmitting material (3) of the radiation shield group (Q, R, S) is measured with high sensitivity by the radio wave detector (4) placed on the last radiation shield (S). It was set as the structure of the characteristic radio wave measuring apparatus B.
  • the radiation shield (R, S) window nested within the first shield may be omitted.
  • the radiation shielding filter mounted on each radiation shield nested in the first radiation shield and the first radiation shield is usually connected to the refrigerator via a metal wire (not shown) and collected in the radiation shielding filter. The heated heat is exhausted.
  • FIG. 3 is a drawing showing an assembly example of the radio wave measuring apparatus of the present invention.
  • 3 shows a radio wave measuring apparatus C.
  • the radio wave measuring device C has a first radiation shield, a second radiation shield, and a third radiation shield. Each radiation shield is hidden from view of the outer insulation and is not visible.
  • the radio wave measuring device C has a cylindrical shape with a diameter of 508 mm and a height of 480 mm, and the radiation shielding filter (2) is made of high-density polyethylene having a diameter of 260 mm and a thickness of 10 mm, and the radio wave transmitting material (3).
  • FIG. 3B shows a stack (17 sheets) of discs obtained by slicing and cutting out a styrofoam used as an example of a radio wave transmitting material to a diameter of 210 mm and a thickness of 3 mm.
  • Other examples include foamed polyethylene resin materials, foamed nylon resin materials, foamed polypropylene resin materials, foamed polytetrafluoroethylene resin materials, foamed acrylic resin materials, and the like (not shown).
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the arrangement of the radiation shielding filter (2) and the radio wave transmitting material (3) and the thermal radiation performed by this arrangement. Since it is desirable to form a gap, the number of the radio wave transmissive materials stacked is two or more. This arrangement balances the radiant heat between the layers. Since the heat-radiating electromagnetic wave is reflected toward the radiation shielding filter (2) by the radio wave transmissive material (3) of each layer, the amount of heat in terms of the amount of heat of the electromagnetic wave entering through the multilayering is reduced. As the number of laminated radio wave permeable materials (3) increases, the amount of intrusion heat decreases. If the number of laminated radio wave transmitting materials (3) is about 10, the amount of intrusion heat can be reduced to about 1/10.
  • the number of stacked layers can be appropriately set as desired.
  • the radio wave permeable material (3) is made of a material having a small heat conductivity, so that the heat balance between the front and back surfaces (Ttop, Tbottom) of each layer is achieved.
  • FIG. 5 and 6 show the results of a cooling test performed using the radio wave measuring apparatus C.
  • FIG. A cooling test was performed using a refrigerator equipped with a first stage and a second stage (GM refrigerator manufactured by Sumitomo Heavy Industries, Ltd .: RDK-408S).
  • Graph A in FIG. 5 shows the temperature difference between the center portion and the end portion of the lower surface of the radio wave transmitting material in the third radiation shield.
  • a graph B in FIG. 5 shows the relationship between the number of laminated radio wave permeable materials and the heat input amount W.
  • Graph C in FIG. 6 shows the relationship between the radio wave transmissivity and the number of stacked layers of the radio wave transmissible material. 1 on the vertical axis of the graph C indicates that the transmittance is 100%.
  • the radio wave transmittance is measured by using two different measuring instruments, a Fourier transform spectrometer and a radio wave signal generator.
  • Table 1 in FIG. 7 shows the surface temperature of the radio wave detector in the third radiation shield.
  • the horizontal axis of the graph represents the number of laminated radio wave transmissive materials.
  • Graph A shows that there is almost no temperature difference between the central part and the upper and lower surfaces of the radio wave permeable material. It can be seen from graph B that the heat input can be reduced to a small amount of 1 W or less. From graph C, the radio wave permeable material does not impair the radio wave transmissivity of radio waves in the target frequency band (here, radio waves of 400 GHz or less), and about 5% of electromagnetic waves of 1 THz or more contained in the radio waves It can be seen that it can be removed by a radio wave permeable material. Further, it is possible to remove 90% or more of electromagnetic waves of 3 THz or more defined by the Radio Law contained in radio waves (not shown).
  • the intended radio wave permeability is less affected by the number of laminated radio wave permeable materials. It can be seen from Table 1 that the surface temperature of the radio wave detector in the radiation shield can reach almost the same temperature as the cooling capacity temperature of the cryogenic refrigerator.
  • the radio wave measuring apparatus of the present invention can be used for high-sensitivity measurement of radio waves intended by the radio telescope, the radio wave measuring apparatus of the present invention can be used as a radio wave measuring apparatus for a radio telescope. .
  • the radio wave measuring device of the present invention can be used for high-sensitivity measurement of the radio wave intended by the radiometer, the radio wave measuring device of the present invention can be used as a radio wave measuring device for a radiometer. .
  • the radio wave measuring device of the present invention can be used for high-sensitivity measurement of the radio wave intended by the weather satellite, the radio wave measuring device of the present invention can be used as a radio wave measuring device for a weather satellite. .
  • the radio wave measuring apparatus of the present invention can be used for high-sensitivity measurement of the radio wave intended by the exploration satellite, the radio wave measuring apparatus of the present invention can be used as a radio wave measuring apparatus for the exploration satellite. .
  • the radio wave measuring device of the present invention can be used for highly sensitive measurement of radio waves intended by the radar, the radio wave measuring device of the present invention can be used as a radio wave measuring device for radar.
  • the configuration of the present invention can be used as a terahertz wave measuring device by replacing the radio wave transmissive material with a terahertz band transmissive material. Further, the radio wave transmitting material is replaced with an electromagnetic wave transmitting material, and the radio wave detector is replaced with an electromagnetic wave detector for detecting gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible rays, near infrared rays, infrared rays, far infrared rays, etc. Thus, it can be used as an electromagnetic wave measuring apparatus for measuring electromagnetic waves.
  • the present invention relates to a lot of industrial equipment such as a radio wave measuring device for a radio telescope, a radio wave measuring device for a radiometer, a radio wave measuring device for a weather satellite, a radio wave measuring device for an exploration satellite, a radio wave measuring device for a radar, etc. It can be used widely.
  • a Radio wave measuring device B Radio wave measuring device C Radio wave measuring device Q Vacuum container to be cooled (first radiation shield) R radiation shield S radiation shield Z electromagnetic wave 1 window 2 radiation shielding filter 3 radio wave transmitting material 4 radio wave detector 5 metal wire 6 refrigerator

Abstract

【課題】本発明は、極低温下、電波の高感度測定を可能にする電波測定装置を提供する。 【解決手段】真空容器の中に、目的とする電波を透過させる放射遮フィルタ、電波に含まれる目的としない電磁波を反射させる電波透過性材料、及び電波検出器を置き、電波が前記放射遮フィルタを透過し、前記電波に含まれる目的としない電磁波は前記電波透過性材料により前記放射遮フィルタに向けて反射させられ、前記放射遮フィルタに熱として集熱されるとともに、熱伝導により系外に排熱され、前記電波透過性材料を透過した電波が、前記電波検出器により高感度測定される電波測定装置とした。

Description

電波測定装置
　本発明は、電波測定装置に関する。さらに詳しくは、極低温下で高感度の電波測定を可能にする大口径の電波測定装置に関する。
　４５ｍｍ電波望遠鏡に使用されている電波検出器は、２０Ｋ程度に冷却された真空ジュワーの中に置かれることが知られている。
　特許文献１は、熱赤外線を効率よく吸収し、熱伝導率が高く、サブミリ波領域で透明度が高く、反射ロスが少ないという特性と共に、少なくとも１７０ｍｍという大型の直径を有する冷却用窓材、同窓材を備える天体観測装置用の極低温冷却装置、並びに、テラヘルツ波観測を利用した検査機器の構成を開示している。前記窓材としては、単結晶サファイア基板を母材とし、カット面をＣ面として形成すると共に、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜の反射防止膜を前記サファイア基板の表面に形成した冷却用窓材１４を冷却容器１１の電波導入窓１３に備え付けた構造を開示している。しかし、この方法は外断熱には有効であるが、冷却用窓材を通過する電磁波が冷却容器の中で放射する熱の排熱手段については何ら記載も示唆もない。
　特許文献２には魔法瓶構造の真空容器の中に被試験体を置き、真空容器を極低温に冷却するシステムが開示されている。しかし、この方法は外断熱には有効であるが、真空容器の中で放射される熱の排熱手段については何ら記載も示唆もない。
　特許文献３には入れ子の真空ジュワー、各ジュワーの壁表面に多層の輻射シールド板が設けられ、最内部のジュワーに冷媒が充填され、その冷媒の中に超伝導巻線が置かれている極低温容器が開示されている。しかし、この方法は外断熱には有効であるが、冷却容器の中で放射される熱の排熱手段については何ら記載も示唆もない。
　天体観測のための電波を入れる窓にフィルタを設けることが一般に実施されている。フィルタとしては、紫外フィルタ、可視光フィルタ、赤外フィルタ、等の光学ガラスフィルタやプラスチックフィルタが使用されている。
　フィルタの吸収熱を冷凍機等により排熱することが行われている。大口径の電波検出器に使用した場合にはフィルタの冷却が冷凍機の負荷となるという問題がある。光学ガラスフィルタ及びプラスチックフィルタは、屈折率が大きく電波の一部を反射させる性質があるので、フィルタを厚くするほど電波の透過が少なくなる。そのため、紫外線、可視光線、赤外線、遠赤外線等の電磁波を或る程度、窓のフィルタを通過させている。光学ガラスフィルタ及びプラスチックフィルタは反射防止加工を必要とし、反射防止加工は高度な技術を必要としている。
　電波測定器の感度は、電波入射窓の開口面積に比例して向上するのであるが、反面、窓の大口径化は侵入熱の増大を招くので、窓の大口径化は非常に困難である。
　電波検出感度を高めるためには電波の入出が行われる真空容器の窓の大口径化が非常に有効である。そして、真空容器内の排熱には高い電波透過特性及び高い断熱特性を有する材料を真空容器内に備えることが望ましいものと考えられるが、このような工夫は、これまでほとんど報告されていない。
　前記のように電波検出器が真空低温容器に置かれた電波測定装置は、断熱材により低温容器の低温が維持されるのであるが、断熱原理は、一般的な冷凍機で使用される真空多層断熱材（ＭＬＩ：multi-layer insulation）の原理と同様であるので、すなわち、放射平衡を利用した断熱原理であるので、低温容器を包むように低温容器の壁に沿ってＭＬＩが設けられていた。しかし、この方法では、真空低温容器の中で放射される熱の排熱が十分に行われないので、極低温に達することが困難であるという問題がある。しかし、これを解決するための有効な手段はこれまで報告されていない。
　電波測定装置は、例えば、放射計用の電波測定装置として用いられている。放射計は、例えば、特許文献４に開示されている。
　特許文献４は電波検出を室温下で行うことを開示しているが、電波検出器を低温下に置くことについては記載も示唆もしていない。温度較正のために黒体を液体窒素中に浸漬する冷却手段が開示されているにすぎない。
特開２００６－２１１６２６号公報 特許３８３３６７１ 特開昭６０－１６３４７５号公報 ＥＰ－Ｂ１－００６６７５１８
　前記の説明のように、電波測定装置は、例えば、天体望遠鏡用の電波測定装置、放射計用の電波測定装置、気象衛星用の電波測定装置、探査衛星用の電波測定装置、レーダー用の電波測定装置、等として利用されている。これらの電波測定装置は、天体、空、物体、物質などの測定対象が放射する電波の強度測定に基づいて測定対象の温度を求めている。電波測定の高感度化は、あらゆる電波測定装置に求められている。例えば、天体望遠鏡による宇宙背景放射の高感度測定は、宇宙の起源の解明に貢献する。放射計による高感度の電波測定は、自然災害の迅速な予知と防災に貢献する。気象衛星による高感度の電波測定は、気象変化の迅速な予知と自然災害防止に貢献する。探査衛星による高感度の電波測定は、例えば埋蔵資源の新発見に貢献する。レーダーによる高感度の電波測定は、動体追跡の高速化に貢献する、等である。
　電波測定装置の窓を通して電波検出器が置かれた容器に入ってくる電波は、目的とする電波の他に目的としない電磁波を含んでいる。自然界の電磁波は、電波法で定められる３ＴＨｚ以下の電波の他にガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、遠赤外線が混在する。本発明にとって、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、遠赤外線は目的としない電磁波であり、目的とする電波の測定にとってノイズである。したがって、目的とする電波を高感度で測定するには目的としない電磁波を電波測定器の手前で除去する必要がある。目的としない電磁波のうち紫外線、可視光線、赤外線、及び遠赤外線は１０－２ｅＶ以上の物質に吸収されやすい熱放射源であり、測定系外に排熱しない限り大きなノイズである。一方、電波は１０－２ｅＶ以下の小さなエネルギーであるので、電波測定にとって前記電磁波ノイズのカットは必須である。したがって、理想的な電波測定は、目的としない電磁波が完全にカットされた目的とする電波だけを絶対零度下に置かれた電波検出器により測定することである。しかし、前記の説明のように、従来の電波測定は、真空容器内又は低温容器内に単に電波検出器を置くだけの装備を用いて、低温下での電波測定を行っていた。そのため、低温下での電波測定は電波検出器自身の放射熱を冷却源に移動させる効果はあるものの、電波に含まれる熱放射源としての電磁波は除去されていないので、電磁波の熱放射の影響のために、電波検出器による高感度測定が困難であった。
　以上の事情に鑑み、本発明の目的は、電波を従来よりも１０倍以上の高感度で測定することを可能にする電波測定装置を提供することである。
　本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、真空容器に入る電波のうち目的とする電波を透過させ、透過電波に含まれる目的としない電磁波を反射させ、その反射を熱として集めて効率的に排熱するという新しい手段（電磁波真空反射断熱法と命名）を見いだし、この知見に基づいて本発明を完成させるに至った。
　すなわち、本発明は、
　１．
電波を入れる窓と前記窓の下方に載置される放射遮フィルタと前記放射遮フィルタの下方に載置される電波透過性材料とを備える冷却することができる真空容器（第一放射シールド）と、前記第一放射シールドの中にあって前記電波透過性材料の下方に置かれた電波検出器と、を備える電波測定装置であって、
前記窓を通して入射された電波に含まれる目的とする電波が前記放射遮フィルタにより透過させられ、続いて、該透過電波に含まれる目的としない電磁波が前記電波透過性材料により前記放射遮フィルタに向けて反射させられ、前記放射遮フィルタに熱として集熱され、該放射遮フィルタの熱伝導により系外に排熱され、
そのことにより、前記電波透過性材料を透過した電波が前記電波検出器により高感度測定されることを特徴とする電波測定装置の構成とした。
　２．
前記第一放射シールドと、前記第一放射シールドの中に、前記第一放射シールドと同様の構造の大きさが異なる放射シールドが入れ子にされ、最後の放射シールドの中に前記電波検出器が置かれている、電波測定装置であって、
前記窓を通して入射された電波に含まれる目的とする電波が前記放射シールド群の各放射遮フィルタにより透過させられ、続いて、該透過電波に含まれる目的としない電磁波が前記放射シールド群の各電波透過性材料により前記放射遮フィルタに向けて反射させられ、前記放射シールド群の各放射遮フィルタに熱として集熱され、各放射遮フィルタの熱伝導により系外に排熱され、
そのことにより、前記放射シールド群の各電波透過性材料を透過した電波が前記最後の放射シールドに置かれた電波検出器により高感度測定されることを特徴とする前記１に記載の電波測定装置の構成とした。
　３．
天体望遠鏡用の電波測定装置に用いられる前記１又は２に記載の電波測定装置の構成とした。
　４．
放射計用の電波測定装置に用いられる前記１又は２に記載の電波測定装置の構成とした。
　５．
気象衛星用の電波測定装置に用いられる前記１又は２に記載の電波測定装置の構成とした。
　６．
探査衛星用の電波測定装置に用いられる前記１又は２に記載の電波測定装置の構成とした。
　７．
レーダー用の電波測定装置に用いられる前記１又は２に記載の電波測定装置の構成とした。
　本発明は、上記構成であるので、以下の効果を発揮する。すなわち、
１．本発明は、冷却することができる真空容器内で、目的とする電波が放射遮フィルタを透過させられ、透過電波に含まれる目的としない電磁波が前記放射遮フィルタの下方に載置された電波透過性材料により前記放射遮フィルタに向けて反射させられ、該放射遮フィルタに熱として集熱され、該放射遮フィルタの熱伝導により系外に排熱することができるので、効率的に真空容器内の温度を極低温に到達させることができる。その結果、冷却負荷を従来の１/１０以下に低減させることが可能であり、大口径の電波測定を高感度で行うことが可能である。
２．前記電波透過性材料として紫外線、可視光、赤外線および遠赤外線の反射が大きく且つ断熱性の高い電波透過性材料を用いることができるので、前記熱放射性の電磁波によるノイズを低減させると共に、真空容器内の温度を極低温に維持できる。その結果、従来よりも１０倍以上の高感度測定を可能にする。
３．本発明で用いられる電波透過性材料としては、電波透過性材料を２枚以上積層させた材料であるのが好ましい。
４．前記電波透過性材料が有する反射性能の指標としての、反射させる電磁波を熱換算した時の単位時間当たりの熱量Ｈｒは、通常、１ＭＪ/ｍ２以上である。ここで、ｍ２は、電波透過性材料の単位平面積である。
５．前記電波透過性材料の電磁波反射性についての他の指標として、目的とする周波数帯域の電波の透過率及び目的としない周波数帯域の電磁波の透過率を与えることができる。例えば、電波望遠鏡、放射計、気象衛星、探査衛星、レーダーの電波測定のためには、周波数帯域の４００ＧＨｚ以下の電波の透過率が９０％以上であり、１ＴＨｚ以上の電磁波の透過率が９５％以下である。
６．前記電波透過性材料の電磁波反射性は、前記４又は前記５のうちどちらかを満たすものであればよい。
７．前記電波透過性材料としては、発泡樹脂材料が好ましい。発泡樹脂材料は、目的とする電波を透過させる高い電波透過性と目的としない電磁波を反射させる性質を有するので前記窓を大口径化しても冷凍機に新たな負荷を与えることがない。
８．本発明は、電波望遠鏡用の電波測定装置、放射計用の電波測定装置、気象衛星用の電波測定装、探査衛星用の電波測定装置、レーダー用の電波測定装置、等の多くの電波測定装置として利用可能である。
請求項１に従う電波測定装置を説明する概略図である。 請求項２に従う電波測定装置を説明する概略図である。 本発明電波測定装置を説明する写図である。写真（Ａ）は、本発明電波測定装置の全景写図である。写真（Ｂ）は、発泡ポリスチレン樹脂シートを積層させたものの写図である。 放射遮フィルタと電波透過性材料の配置及びこの配置により行われる熱放射を説明する概略図である。 冷却試験によって得られる実験結果を説明するグラフ及び表である。グラフＡは、第三放射シールド内の電波透過性材料の下面の中央部と端部の温度差を示す。グラフＢは、第三シールド内の電波透過性材料の積層枚数と入熱量（Ｗ）の関係を示す。ＲＴ-ＭＬＩは、電波透過性材料の一つ（radio-transparent multi-layer insulator）である。 冷却試験によって得られる実験結果を説明するグラフである。グラフＣは、電波透過性材料の積層枚数と電波透過率の関係を示す。 表１は、第一放射シールド内の電波透過性材料として発泡ポリスチレン樹脂（商品名：スタイロフォーム、ダウケミカル社登録商標）のシート（厚み３ｍｍ）を１２枚積層し、第二放射シールド内に前記と同じ材料を５枚積層した時の第三放射シールド内の電波検出器表面の温度を示す表である。比較のために、ファーストステージＧＭ冷凍機の温度、及びセカンドステージＧＭ冷凍機の温度を示す。
　本発明は、前記「電磁波真空反射断熱法」という新しい技術思想に基づく。「電磁波真空反射断熱法」とは、真空の空間に入射する電磁波に含まれる電波が真空中を通過するのを遮蔽することなく、前記電磁波に含まれる熱放射性の電磁波がその通過の過程で電波透過性材料の介在により電磁波の進行方向に対して逆向きに反射させられることにより断熱する（熱の侵入を遮断する）、ことをいう。本発明は、従来のように断熱材が吸収する熱を直接的に冷却排熱することではない。本発明は、熱の積極的な冷却を必要としない。本発明における冷却は、真空容器を所定の温度に冷却することで足りる。真空容器を所定の温度にまで冷却するのに要する時間は、従来よりも大幅に短縮できる。
　前記窓とは、前記真空容器に設けられた電磁波の入出のための開口部のことである。窓は、目的とする電波を透過させ、真空圧に耐える材料であれば特に限定されない。例えば、ポリエチレン樹脂材料、ポリプロピレン樹脂材料、ポリスチレン樹脂材料、ポリエチレンテレフタレート樹脂材料、ポリテトラフルオロエチレン樹脂材料、アクリル樹脂材料、ポリカーボネート樹脂材料及びこれらの発泡樹脂材料が挙げられる。
　前記電磁波とは、電波法で定められる３ＴＨｚ以下の電波と、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、遠赤外線等が混在する電磁波のことである。
　前記電波とは、電波法で定められる３ＴＨｚ以下の電波のことである。本発明は、目的に応じて３ＴＨｚ以下の電波のうち特定の振動数領域の電波を透過させることができる。例えば、電波望遠鏡用、放射計用、気象観測衛星用、探査衛星用、レーダー用の電波測定のためには４００ＧＨｚ以下の電波を９０％以上の透過率で透過させることができる。
　前記反射は、反射方向への熱放射及びミラー的反射の両方の寄与を含む。反射の程度は、電波透過性材料に依存する。
　前記電波透過性材料による電磁波の反射量は、電波透過性材料の枚数（Ｎ）が多いほど大であり、熱換算量ｑ１の入射電磁波がＮ枚の電波透過性材料を通過した時の電磁波の熱換算量ｑＮ＋１は、ｑＮ＋１≦ｑ１/Ｎ+１である。
　前記放射遮フィルタとは、電波に含まれる電磁波放射を遮蔽し、電波を透過させるためのフィルタのことである。この放射遮フィルタは、目的とする電波を透過させることができる。放射遮フィルタとして、目的とする電波を透過させるのに適したフィルタを適宜選択できる。例えば、電波法で定められる３ＴＨｚ以下の電波を透過させるには、プラスチック材料が適している。プラスチック材料には、発泡樹脂材料を用いることもできる。プラスチック材料は、金属メッシュを挟んでもよい。前記発泡樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。前記窓に発泡樹脂の放射遮フィルタを挿入しても良い。
　前記電波透過性材料とは、放射遮フィルタを通過する電波に含まれる電磁波を遮蔽し、電波を透過させるための材料のことである。電波透過性材料は、目的としない電磁波を反射させ、目的とする電波を透過させることができる。電波透過性材料としては、目的としない電磁波を反射させ目的とする電波を透過させるのに適した材料を適宜選択できる。
　前記放射遮フィルタの単位時間当たりの熱伝導量Ｈｔと前記電波透過性材料により反射される電磁波の１時間の熱換算放射量Ｈｒは、通常、Ｈｔ≧Ｈｒになるように調節されている。Ｈｒは、通常、１ＭＪ/ｍ２以上である。ｍ２は、放射遮フィルタ及び電波透過性材料の単位平面積である。このＨｒは、1時間の日射量を参考にしている。日本の1時間の日射量は１ＭＪ/ｍ２～４ＭＪ/ｍ２である。
　前記電波透過性材料の電磁波反射性についての他の指標としては、目的とする周波数帯域の電波の透過率及び目的としない周波数帯域の電磁波の透過率を与えることができる。例えば、電波望遠鏡、放射計、気象衛星、探査衛星、レーダーの電波測定のためには、周波数帯域の４００ＧＨｚ以下の電波の透過率が９０％以上であり、１ＴＨｚ以上の電磁波の透過率が９５％以下である。
　前記電波透過性材料は、電波透過性材料を２枚以上積層させたものが好ましい。積層することで隙間が形成され、一層、断熱効果が向上し、空気と同程度の屈折率であるので、反射防止加工が必要ない。電波透過性材料の積層体は、冷却負荷の大きな増大を招かないので、窓を大口径化しても冷却負荷はあまり大きくならない。
　前記電波透過性材料としては、発泡樹脂材料が好ましい。発泡樹脂材料は、高断熱性を有し、高い電波透過性を有する。この発泡樹脂材料（シート、フイルム等のこと）を積層することで隙間が形成され、よりいっそう、断熱効果が向上し、空気と同程度の屈折率であるので、反射防止加工が必要ない。発泡樹脂材料の積層体の使用は、冷却負荷の大きな増大を招かないので、窓を大口径化しても冷却負荷はあまり大きくならない。後述のように発泡樹脂を用いて作られる電波透過性材料は、電磁波を反射させる性質が優れていることから、発泡樹脂材料の膜構造が影響しているものと考えられる。
　前記発泡樹脂材料としては、発泡ポリスチレン樹脂材料、発泡ポリエチレン樹脂材料、発泡ナイロン樹脂材料、発泡ポリプロピレン樹脂材料、発泡ポリテトラフルオロエチレン樹脂材料、発泡アクリル樹脂材料、等、気泡を含む樹脂材料を例示することができる。なかでも、発泡ポリスチレン樹脂材料は、好ましい。
　前記発泡樹脂材料の１枚の厚さは、２ｍｍ～５ｍｍ程度が好ましい。より好ましくは、２ｍｍ～３ｍｍである。
　前記電波透過性材料としては、前記発泡樹脂材料以外にも利用できる材料がある。例えば、合成繊維、天然繊維、等が挙げられる。
　前記放射遮フィルタ及び電波透過性材料は、入射する電磁波の進行方向に平行にならないように敷設される。前記放射遮フィルタ面及び電波透過性材料面は、通常、電磁波の進行方向に対して垂直になるように配置される。
　前記電波検出器は、電波法で定義される３ＴＨｚ以下の周波数の電波を検出することができる。
　前記冷却することができる真空容器とは、圧力が大気圧より低い状態にある空間が作られる、冷却することができる容器のことである。真空容器の真空度は、通常、１０－１Ｐａ以下であり、好ましくは、１０－３Ｐａ以下であり、より好ましくは１０－５Ｐａ以下である。前記冷却することができるとは、冷凍機を使用することにより冷却することができる、ということである。
　前記冷却とは、ヒートポンプの原理を用いて熱を移動させることである。冷却は、冷凍機を用いて行われる。冷凍機のうち液体冷媒を寒材として用いない無冷媒冷凍機は、本発明に好ましく用いられる。ここで、無冷媒冷凍機とは、コンプレッサーを用いヘリウムガスの圧縮・膨張を繰り返して冷却を行う機械式冷凍機のことである。ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機とも呼ばれる。無冷媒冷凍機としては、通常、ファーストステージ及びセカンドステージを備える極低温冷凍機が用いられる。前記冷凍機により前記真空容器を冷却する温度は、極低温であることが好ましい。ここで極低温とは、通常、１０Ｋ以下の温度のことであり、好ましくは４Ｋ以下であり、より好ましくは１Ｋ以下の温度のことをいう。
　前記高感度測定とは、ノイズを低減させることにより相対的に信号をノイズよりも十分大きくして測定すること、である。感度の指標は、計測機器や電波測定の対象などによってさまざまである。
　以下に図面を参照しつつ本発明の一側面を実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）として本発明を詳細に説明する。また、本発明は、本実施形態に限られるものではなく、本実施形態、本発明の考え及び請求項の範囲により想到される種々のバリエーションも含むものである。
　図１は、請求項１に従う電波測定装置Ａを示す。電波測定装置Ａは、電波（Ｚ）を入れる窓（１）と、窓（１）の下方に載置される放射遮フィルタ（２）と、放射遮フィルタ（２）の下方に載置される電波透過性材料（３）とを備える、冷却することができる真空容器（第一放射シールド）（Ｑ）と、第一放射シールド（Ｑ）の中にあって電波透過性材料（３）の下方に置かれた電波検出器（４）と、を備える電波測定装置Ａであって、窓（１）を通して入射された電波に含まれる目的とする電波が放射遮フィルタ（２）により透過させられ、続いて、該透過電波に含まれる目的としない電磁波が電波透過性材料（３）により放射遮フィルタ（２）に向けて反射させられ、該放射遮フィルタ（２）に熱として集熱され、放射遮フィルタ（２）の熱伝導により系外に排熱され、そのことにより、電波透過性材料（３）を透過した電波が電波検出器（４）により高感度測定されることを特徴とする電波測定装置Ａの構成とした。
　図２は、請求項２に従う電波測定装置Ｂを示す。電波測定装置Ｂは、前記第一シールド（Ｑ）と、前記第一シールド（Ｑ）の中に、第一放射シールド（Ｑ）と同様の構造の大きさが異なる放射シールド（Ｒ，Ｓ）が入れ子にされ、最後の放射シールド（Ｓ）の中に電波検出器（４）が置かれている、電波測定装置Ｂであって、窓（１）を通して入射された電波（Ｚ）に含まれる目的とする電波が放射シールド群（Ｑ，Ｒ，Ｓ）の各放射遮フィルタ（２）により透過させられ、続いて、該透過電波に含まれる目的としない電磁波が放射シールド群（Ｑ，Ｒ，Ｓ）の各電波透過性材料（３）により各放射遮フィルタ（２）に向けて反射させられ、放射シールド群（Ｑ，Ｒ，Ｓ）の放射遮フィルタ（２）に熱として集熱され、各放射遮フィルタ（２）の熱伝導により系外に排熱され、そのことにより、放射シールド群（Ｑ，Ｒ，Ｓ）の各電波透過性材料（３）を透過した電波が最後の放射シールド（Ｓ）に置かれた電波検出器（４）により高感度測定されることを特徴とする電波測定装置Ｂの構成とした。前記第一シール－ドの中に入れ子にされる放射シールド（Ｒ，Ｓ）の窓は、省略できることもある。
　前記第一放射シールド及び第一放射シールドに入れ子にされる各放射シールドに載置される放射遮フィルタは、通常、金属ワイヤを介して冷凍機と接続され（図省略）、放射遮フィルタに集熱された熱が排熱される。
　図３は、本発明電波測定装置の組立て例を示す写図である。図３の写図Ａは、電波測定装置Ｃを示す。電波測定装置Ｃは、第一放射シールド、第二放射シールド、及び第三放射シールドを持つ。各放射シールドは、外断熱材の敷設に隠れてよく見えない。電波測定装置Ｃは、直径５０８ｍｍ、高さ４８０ｍｍの円柱形をしており、放射遮フィルタ（２）には直径２６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの高密度ポリエチレンが使用され、電波透過性材料（３）には、厚み２ｍｍ～３ｍｍ直径２１０ｍｍの発泡ポリスチレン樹脂シートを積層した材料が使用されている。温度較正のための黒体（図示省略）は、室温（約３００Ｋ）に置き、電波検出器（４）は直径２００ｍｍである。金属ワイヤ（５）は、第一放射シールド、第二シールド及び第三シールドの各放射遮フィルタ（２）と冷凍機（６）を接続している。図３の写図Ｂは電波透過性材料の一例として用いられるスタイロフォームを直径２１０ｍｍ、厚さ３ｍｍにスライスして切り出した円板を積層（１７枚）したものを示す。他には、発泡ポリエチレン樹脂材料、発泡ナイロン樹脂材料、発泡ポリプロピレン樹脂材料、発泡ポリテトラフルオロエチレン樹脂材料、発泡アクリル樹脂材料、等を例示することができる（図示省略）。
　図４は、放射遮フィルタ（２）と電波透過性材料（３）の配置及びこの配置により行われる熱放射を説明する概略図である。前記電波透過性材料の積層枚数は、隙間を形成させることが望ましいので、２枚以上である。この配置により、各層の間で放射熱が平衡状態になる。熱放射性の電磁波は各層の電波透過性材料（３）により前記放射遮フィルタ（２）に向けて反射されるので、多層化により侵入する電磁波の熱量換算としての熱量が減少する。電波透過性材料（３）の積層枚数が多いほど侵入熱量は減少する。電波透過性材料（３）の積層枚数を１０枚程度にすれば侵入熱量を１/１０程度に減少させることができる。積層枚数は所望に応じて適宜設定可能である。電波透過性材料（３）の積層枚数が少ない時や第一放射遮フィルタ（２）の温度Ｔhighが小さい値の時はそれ以上の効果を発揮する。電波透過性材料（３）としては熱伝導の小さな材料を使用しているので、各層の表裏（Ｔtop, Ｔbottom）間でも熱伝導による熱平衡状態になるからである。
　図５、図６は、前記電波測定装置Ｃを用いて行われる冷却試験の結果を示す。ファーストステージ及びセカンドステージを備える冷凍機（住友重機械工業株式会社製造ＧＭ冷凍機：ＲＤＫ－４０８Ｓ）を用いて冷却試験を行うった。図５のグラフＡは、第三放射シールド内の電波透過性材料の下面の中心部と端部の温度差を示す。図５のグラフＢは、電波透過性材料の積層枚数と入熱量Ｗの関係を示す。図６のグラフＣは、電波透過性材料による電波透過性と積層枚数の関係を示す。グラフＣの縦軸の１は、透過率が１００％であること示す。電波透過率の測定は、異なる二つの測定器、フーリエ変換分光系（Fourier transform spectrometer）及びラジオ波信号発振器（radiowave signal generator）を用いて行う。図７の表１は、第三放射シールド内の電波検出器の表面温度を示す。グラフの横軸は、電波透過性材料の積層枚数である。
　グラフＡから、電波透過性材料の中央部と端部の上下面の温度差は、ほとんどないことがわかる。グラフＢから、入熱量を１Ｗ以下の小さな量に低減できることがわかる。グラフＣから、電波透過性材料により、目的とする周波数帯域の電波（ここでは４００ＧＨｚ以下の電波）の電波透過性を損なうことなく、電波に含まれる１ＴＨｚ以上の電磁波の約５％を１枚の電波透過性材料により除去することができることがわかる。また、電波に含まれる電波法で定められる３ＴＨｚ以上の電磁波を９０％以上除去することが可能である（図示省略）。また、目的とする電波の透過性は電波透過性材料の積層枚数の影響を受けにくいことがわかる。表１から放射シールド内の電波検出器の表面温度を使用する極低温冷凍機の冷却能力温度とほぼ同じ温度に到達させることができることがわかる。
　本発明電波測定装置の構成は、電波望遠鏡が目的とする電波の高感度測定のために用いることが可能であるので、本発明電波測定装置は、電波望遠鏡用の電波測定装置として用いることができる。
　本発明電波測定装置の構成は、放射計が目的とする電波の高感度測定のために用いることが可能であるので、本発明電波測定装置は、放射計用の電波測定装置として用いることができる。
　本発明電波測定装置の構成は、気象衛星が目的とする電波の高感度測定のために用いることが可能であるので、本発明電波測定装置は、気象衛星用の電波測定装置として用いることができる。
　本発明電波測定装置の構成は、探査衛星が目的とする電波の高感度測定のために用いることが可能であるので、本発明電波測定装置は、探査衛星用の電波測定装置として用いることができる。
　本発明電波測定装置の構成は、レーダーが目的とする電波の高感度測定のために用いることが可能であるので、本発明電波測定装置は、レーダー用の電波測定装置として用いることができる。
　本発明の構成は、前記電波透過性材料をテラヘルツ帯透過性材料に置き換えることによりテラヘルツ波測定装置としての利用が可能である。また、前記電波透過性材料を電磁波透過性材料に置き換え、前記電波検出器を、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、近赤外線、赤外線、遠赤外線、等の検出のための電磁波検出器に置き換えることにより、電磁波の測定を行う電磁波測定装置としての利用が可能である。
　本発明は、電波望遠鏡用の電波測定装置、放射計用の電波測定装置、気象衛星用の電波測定装置、探査衛星用の電波測定装置、レーダー用の電波測定装置、等、の多くの産業機器に幅広く利用できる。
Ａ　電波測定装置
Ｂ　電波測定装置
Ｃ　電波測定装置
Ｑ　冷却される真空容器（第一放射シールド）
Ｒ　放射シールド
Ｓ　放射シールド
Ｚ　電磁波
１　窓
２　放射遮フィルタ
３　電波透過性材料
４　電波検出器
５　金属ワイヤ
６　冷凍機

 

Claims (7)

  1. 電波を入れる窓と前記窓の下方に載置される放射遮フィルタと前記放射遮フィルタの下方に載置される電波透過性材料とを備える冷却することができる真空容器（第一放射シールド）と、前記第一放射シールドの中にあって前記電波透過性材料の下方に置かれた電波検出器と、を備える電波測定装置であって、
    前記窓を通して入射された電波に含まれる目的とする電波が前記放射遮フィルタにより透過させられ、続いて、該透過電波に含まれる目的としない電磁波が前記電波透過性材料により前記放射遮フィルタに向けて反射させられ、前記放射遮フィルタに熱として集熱され、該放射遮フィルタの熱伝導により系外に排熱され、
    そのことにより、前記電波透過性材料を透過した電波が前記電波検出器により高感度測定されることを特徴とする電波測定装置。
  2. 前記第一放射シールドと、前記第一放射シールドの中に、前記第一放射シールドと同様の構造の大きさが異なる放射シールドが入れ子にされ、最後の放射シールドの中に前記電波検出器が置かれている、電波測定装置であって、
    前記窓を通して入射された電波に含まれる目的とする電波が前記放射シールド群の各放射遮フィルタにより透過させられ、続いて、該透過電波に含まれる目的としない電磁波が前記放射シールド群の各電波透過性材料により前記放射遮フィルタに向けて反射させられ、前記放射シールド群の各放射遮フィルタに熱として集熱され、各放射遮フィルタの熱伝導により系外に排熱され、
    そのことにより、前記放射シールド群の各電波透過性材料を透過した電波が前記最後の放射シールドに置かれた電波検出器により高感度測定されることを特徴とする請求項１に記載の電波測定装置。
  3. 天体望遠鏡用の電波測定装置に用いられる請求項１又は２に記載の電波測定装置。
  4. 放射計用の電波測定装置に用いられる請求項１又は２に記載の電波測定装置。
  5. 気象衛星用の電波測定装置に用いられる請求項１又は２に記載の電波測定装置。
  6. 探査衛星用の電波測定装置に用いられる請求項１又は２に記載の電波測定装置。
  7. レーダー用の電波測定装置に用いられる請求項１又は２に記載の電波測定装置。

     
PCT/JP2014/064208 2013-06-03 2014-05-29 電波測定装置 WO2014196439A2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14807836.3A EP3006945B1 (en) 2013-06-03 2014-05-29 Electric wave measurement device
JP2015521411A JP6029079B2 (ja) 2013-06-03 2014-05-29 電波測定装置
US14/957,151 US10215787B2 (en) 2013-06-03 2015-12-02 Radio wave measurement device having a large aperture

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-116571 2013-06-03
JP2013116571 2013-06-03

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/957,151 Continuation US10215787B2 (en) 2013-06-03 2015-12-02 Radio wave measurement device having a large aperture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2014196439A2 true WO2014196439A2 (ja) 2014-12-11
WO2014196439A3 WO2014196439A3 (ja) 2015-05-14

Family

ID=52008677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/064208 WO2014196439A2 (ja) 2013-06-03 2014-05-29 電波測定装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10215787B2 (ja)
EP (1) EP3006945B1 (ja)
JP (1) JP6029079B2 (ja)
WO (1) WO2014196439A2 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110855384A (zh) * 2019-10-23 2020-02-28 中国科学院新疆天文台 一种基于窗口划分的宽带频谱信噪分离方法
JP7336619B1 (ja) 2022-06-02 2023-08-31 三恵技研工業株式会社 融雪レドーム

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201817697D0 (en) 2018-10-23 2018-12-19 Mbda Uk Ltd Electric field sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60163475A (ja) 1984-02-02 1985-08-26 Mitsubishi Electric Corp 極低温容器
EP0667518B1 (en) 1994-02-11 2000-07-12 Radiometrics Corporation Profiling of selected atmospheric characteristics utilizing passive microwave remote sensing
JP2006211626A (ja) 2004-12-27 2006-08-10 Hiroshi Matsuo 極低温冷却用窓材、天体観測装置用の極低温冷却装置、並びに、テラヘルツ波観測を利用した検査機器
JP3833671B2 (ja) 2004-04-16 2006-10-18 大陽日酸株式会社 宇宙環境試験装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994002972A1 (en) * 1992-07-16 1994-02-03 Calling Communications Corporation Spacecraft intersatellite link for satellite communication system
JPH098490A (ja) * 1995-06-21 1997-01-10 Nippon Paint Co Ltd 電子機器筐体及び不要輻射波低減方法
JP3957997B2 (ja) * 2001-07-10 2007-08-15 株式会社エヌ・ティ・ティ・ドコモ 高感度無線受信機
EP1634351B1 (de) * 2003-06-13 2008-04-30 QEST Quantenelektronische Systeme GmbH Supraleitende quantenantenne
DE60329869D1 (de) * 2003-12-18 2009-12-10 Fujitsu Ltd Antenneneinrichtung, funkempfangseinrichtung und funksendeeinrichtung
JP4398972B2 (ja) * 2006-12-11 2010-01-13 株式会社東芝 電磁波センサ、撮像素子及び撮像装置
WO2008132611A2 (en) * 2007-04-13 2008-11-06 C Technologies, Inc. Interactive variable pathleingth device
JP5780923B2 (ja) * 2011-11-07 2015-09-16 日本電子株式会社 エネルギー分散型ｘ線検出器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60163475A (ja) 1984-02-02 1985-08-26 Mitsubishi Electric Corp 極低温容器
EP0667518B1 (en) 1994-02-11 2000-07-12 Radiometrics Corporation Profiling of selected atmospheric characteristics utilizing passive microwave remote sensing
JP3833671B2 (ja) 2004-04-16 2006-10-18 大陽日酸株式会社 宇宙環境試験装置
JP2006211626A (ja) 2004-12-27 2006-08-10 Hiroshi Matsuo 極低温冷却用窓材、天体観測装置用の極低温冷却装置、並びに、テラヘルツ波観測を利用した検査機器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3006945A4

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110855384A (zh) * 2019-10-23 2020-02-28 中国科学院新疆天文台 一种基于窗口划分的宽带频谱信噪分离方法
CN110855384B (zh) * 2019-10-23 2021-08-27 中国科学院新疆天文台 一种基于窗口划分的宽带频谱信噪分离方法
JP7336619B1 (ja) 2022-06-02 2023-08-31 三恵技研工業株式会社 融雪レドーム
WO2023233805A1 (ja) * 2022-06-02 2023-12-07 三恵技研工業株式会社 融雪レドーム

Also Published As

Publication number Publication date
EP3006945B1 (en) 2020-08-19
JPWO2014196439A1 (ja) 2017-02-23
US10215787B2 (en) 2019-02-26
EP3006945A4 (en) 2017-01-25
WO2014196439A3 (ja) 2015-05-14
JP6029079B2 (ja) 2016-11-24
EP3006945A2 (en) 2016-04-13
US20160091545A1 (en) 2016-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Essinger-Hileman et al. CLASS: the cosmology large angular scale surveyor
Inoue et al. POLARBEAR-2: an instrument for CMB polarization measurements
Siringo et al. A new facility receiver on APEX: the submillimetre APEX bolometer camera, SABOCA
Hinderks et al. QUaD: a high-resolution cosmic microwave background polarimeter
Lee et al. GroundBIRD: A CMB polarization experiment with MKID arrays
Aboobaker et al. The EBEX balloon-borne experiment—Optics, receiver, and polarimetry
JP6029079B2 (ja) 電波測定装置
Mejia-Ambriz et al. Observations of interplanetary scintillation (IPS) using the Mexican Array Radio Telescope (MEXART)
Komatsu et al. Demonstration of the broadband half-wave plate using the nine-layer sapphire for the cosmic microwave background polarization experiment
Dicker et al. MUSTANG2: a large focal plan array for the 100 meter Green Bank Telescope
Bradford et al. SPIFI: a direct-detection imaging spectrometer for submillimeter wavelengths
Ade et al. BICEP2/Keck array. IV. Optical characterization and performance of the BICEP2 and Keck array experiments
Iuliano et al. The cosmology large angular scale surveyor receiver design
Monfardini et al. Lumped element kinetic inductance detectors for space applications
Sobrin et al. Design and characterization of the SPT-3G receiver
Nadolski et al. Broadband, millimeter-wave antireflection coatings for large-format, cryogenic aluminum oxide optics
Karkare et al. Keck array and BICEP3: spectral characterization of 5000+ detectors
Nones et al. High-impedance NbSi TES sensors for studying the cosmic microwave background radiation
Datta et al. Anti-reflection coated vacuum window for the Primordial Inflation Polarization ExploreR (PIPER) balloon-borne instrument
Sekimoto et al. Developments of wide field submillimeter optics and lens antenna-coupled MKID cameras
JP2006211626A (ja) 極低温冷却用窓材、天体観測装置用の極低温冷却装置、並びに、テラヘルツ波観測を利用した検査機器
Coron et al. Highly sensitive large-area bolometers for scintillation studies below 100 mK
Buder et al. BICEP2 and Keck Array: upgrades and improved beam characterization
Sanphuang et al. Broadband THz filters for THz sensing devices
O'Sullivan et al. QUBIC: the Q and U bolometric interferometer for cosmology

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14807836

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015521411

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014807836

Country of ref document: EP