(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する第１の導波路と、
前記第１の導波路の開口と間隙を隔てて対向配置される開口を有する第２の導波路と、
前記第１の導波路から前記第２の導波路への輻射熱を遮断する、前記第２の導波路の開口に形成される遮熱部材とを具備する、導波管。
【請求項２】
前記第１の導波路および前記第２の導波路は、内部に充填される誘電体を備える、請求項１に記載の導波管。
【請求項３】
前記遮熱部材は、熱輻射を媒介する光線を反射する反射膜である、請求項１および２のいずれか一方に記載の導波管。
【請求項４】
前記反射膜は、誘電体多層膜である、請求項３に記載の導波管。
【請求項５】
前記誘電体多層膜は、それぞれ異なる反射スペクトルを有する複数の誘電体膜を積層して形成される、請求項４に記載の導波管。
【請求項６】
前記遮熱部材は、熱輻射を媒介する光線を吸収する吸熱部材である、請求項１および２のいずれか一方に記載の導波管。
【請求項７】
前記吸熱部材を冷却する冷却部を具備する、請求項６に記載の導波管。
【請求項８】
前記第１の導波路の開口と前記第２の導波路の開口とは、電波の伝搬方向に対して垂直に対向する、請求項１に記載の導波管。
【請求項９】
前記第２の導波路は、被冷却デバイスに取り付けられる、請求項１および２のいずれか一方に記載の導波管。
【請求項１０】
前記被冷却デバイスは、超伝導デバイスである請求項９に記載の導波管。
【請求項１１】
前記超伝導デバイスは、前記第２の導波路から入力される電波を濾波する超伝導フィルタである、請求項１０に記載の導波管。
【請求項１２】
前記超伝導デバイスは、入力される電波を濾波して前記第２の導波路に出力する超伝導フィルタである、請求項１０に記載の導波管。
【請求項１３】
前記第１の導波路は、その少なくとも一部を常温に暴露され、
前記第２の導波路は真空槽に封入される、請求項１および２のいずれか一方に記載の導波管。
【請求項１４】
開口を有する第１の導波路と、
前記第１の導波路の開口と間隙を隔てて対向配置される開口を有する第２の導波路と、
前記第２の導波路の開口に形成され、前記第１の導波路から前記第２の導波路への輻射熱を遮断する遮熱部材とを具備し、
前記遮熱部材は、熱輻射を媒介する光線を吸収する吸熱部材である、導波管。
【請求項１５】
前記第１の導波路および前記第２の導波路は、内部に充填される誘電体を備える、請求項１４に記載の導波管。
【請求項１６】
前記吸熱部材を冷却する冷却部を具備する、請求項１４または１５のいずれか１項に記載の導波管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、導波管に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルラフォン基地局、放送システム、気象レーダ、あるいはその他の電波を利用する分野一般において、急峻な特性を実現可能な超伝導フィルタが注目されている。この種の低温動作デバイスに電波を入力／出力するために、導波管が用いられる。デバイスの高温側と低温側との温度差は２００Ｋ［ケルビン］にも及ぶので、それらの間の熱の伝達を遮断する必要がある。そこで、高温側と低温側との間に物理的な間隙（ギャップ）を設け、両者の熱接触を遮断した分割型導波管が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５４３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
周知のように導波管は、管の内部に誘電体を装荷することで小型化できる。誘電体の誘電率をεとすると、誘電体を装荷された導波管のサイズは空洞の導波管のおよそ１／√εにできる。しかしながら分割型導波管では誘電体が対向して配置されるので、接触による熱伝導を遮断しても誘電体どうしの熱輻射による熱伝導が生じる。特に超伝導フィルタのような超低温で機能するデバイスでは、高温側と低温側の温度差が大きいために輻射による熱の伝わりが大きく、分割した利点が少なくなることから対処が望まれている。  
目的は、熱輻射による熱伝導を防止した分割型の導波管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、導波管は、それぞれ開口を有する第１および第２の導波路と、遮熱部材とを具備する。第１の導波路の開口と第２の導波路の開口とは、間隙を隔てて対向配置される。遮熱部材は、第２の導波路の開口に形成され、第１の導波路から第２の導波路への輻射熱を遮断する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、実施形態に係る分割型導波管の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る分割型導波管の間隙１０５の近傍を示す断面図である。
【図３】図３は、誘電体多層膜２０１の構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、誘電体多層膜２０１の反射特性を説明するための模式図である。
【図５】図５は、温度３００Ｋにおける黒体輻射のスペクトルの一例を示す図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る分割型導波管の間隙１０５の近傍を示す断面図である。
【図７】図７は、誘電体多層膜２０１の他の例を示す模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、実施形態に係る分割型導波管の一例を示す斜視図である。図１において、導波路１０１の開口と導波路１０２の開口とが、間隙１０５を挟んで対向配置される。電波は導波路１０１，１０２の開口に垂直な方向に進行する。つまり導波路１０１，１０２は、電波の進行方向に垂直な開口を向かい合わせて配置される。導波路１０１，１０２のいずれも管状をなす。図１においては角柱管を示すが、このほか円柱管など他の形状も可能である。
【０００８】
導波路１０１の管の内部には誘電体１０３が充填され、導波路１０２の管の内部には誘電体１０４が充填される。これにより充填物の無い場合に比べて導波管のサイズを小さくすることができる。
【０００９】
導波路１０２は、例えば真空槽に封入された状態で超伝導デバイス１０６に取り付けられる。超伝導デバイス１０６は、導波路１０２から入力される電波を濾波する、例えば超伝導フィルタである。導波路１０２は超伝導デバイス１０６の入力用の導波路として機能する。
【００１０】
また導波路１０２は、超伝導デバイス１０６の出力用の導波路としても機能することができる。このケースでは超伝導デバイス１０６は、入力される電波を濾波して導波路１０２に出力する、例えば超伝導フィルタである。
【００１１】
超伝導デバイス１０６は内部にイットリウム系酸化物などの超伝導体（図示せず）を備える。超伝導体は冷凍機１０７により超伝導状態の臨界温度以下にまで冷却される。よって超伝導デバイス１０６とこれに接続される導波路１０２の温度も、超伝導体の温度の近傍にある。超伝導デバイス１０６は被冷却デバイスの一例である。
【００１２】
一方、導波路１０１は、その少なくとも一部を常温に暴露される。常温は、例えば真空槽の外部、電波の伝搬する空間、または、同軸導波管変換機などである。あるいは、導波路１０１は、常温の部材（真空槽の外壁など）にその少なくとも一部が接触する。要するに導波路１０１の温度はほぼ常温である。すなわち、超伝導デバイス１０６に接続される導波路１０２の温度は導波路１０１の温度よりも低い。その温度差は２００〜３００Ｋの程度にまで及ぶ。次に、上記構成を基礎として複数の実施形態を説明する。
【００１３】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係る分割型導波管の間隙１０５の近傍を示す断面図である。第１の実施形態では、低温側の導波路すなわち導波路１０２の、間隙１０５に接する開口に、遮熱部材としての反射膜を形成する。遮熱部材は、熱輻射を媒介する光線を反射することにより、導波路１０１から導波路１０２への輻射熱を遮断する。光線としては赤外線が代表的であるが、可視光あるいは紫外線なども考慮することができる。反射膜の一例として誘電体多層膜を採り上げ、符号２０１を付して示す。
【００１４】
図３は、誘電体多層膜２０１の構造の一例を模式的に示す断面図である。誘電体多層膜２０１は、複層膜２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、および２０１ｄを例えばこの順に積層して形成される。
【００１５】
複層膜２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、および２０１ｄは、高屈折率の単層膜と低屈折率の単層膜とを交互に重ねることにより形成される。単層膜の厚みを制御することで複層膜の反射スペクトルにおける中心波長を変化させることができる。つまり単層膜の厚みが厚ければ厚いほど、複層膜の反射スペクトルにおける中心波長は長波長側に移動する。
【００１６】
高屈折率の膜は、Ｉｎ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３，Ｓｂ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＣｅＯ２，ＴｉＯ２，ＺｎＳ，Ｂｉ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＺｎＳｅ，ＣｄＳ，Ｓｂ２Ｓ３，ＣｄＴｅ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｔｅ，ＰｂＴｅなどを主成分とすることができる。
【００１７】
低屈折率の膜は、ＣａＦ２，ＮａＦ，Ｎａ３ＡｌＦ６，ＬｉＦ，ＭｇＦ２，Ｓｉ２，ＬａＦ３，ＮｄＦ３，Ａｌ２Ｏ３，ＣｅＦ３，ＰｂＦ３，ＭｇＯ，ＴｈＯ２，ＳｎＯ２，Ｌａ２Ｏ３，ＳｉＯなどを主成分とすることができる。このほかＳｉＯ２なども組成に含めることができる。
【００１８】
誘電体多層膜２０１は、成膜装置のチャンバー内に酸素ガスを導入するのみの自然酸化法、成膜装置のチャンバー内に酸素ガスを導入しながらアルゴン、窒素などのイオンを照射するイオンアシスト酸化（酸窒化）法、酸素、窒素イオンを照射するイオンビーム照射酸化法などにより上記組成の薄膜を積層して形成される。
【００１９】
なお図３において、単層膜を４層にわたり積層した複層膜を４段に積層した、合計１６層の誘電体多層膜２０１を示した。この構成は一例であり膜の総数や積層構造を限定するものではない。
【００２０】
図４は、誘電体多層膜２０１の反射特性を説明するための模式図である。図４のグラフにおいて横軸は波長を示し、縦軸は複層膜２０１ａ〜２０１ｄの反射率を示す。符号３０１〜３０４はそれぞれ複層膜２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、および２０１ｄの反射スペクトルを示す。すなわち誘電体多層膜２０１は、それぞれ異なる反射スペクトルを有する複数の誘電体膜（複層膜）を積層して形成される。
【００２１】
第１の実施形態では、複層膜２０１ａの設計中心波長を５．７μｍとする。複層膜２０１ｂの設計中心波長を９．７μｍとする。複層膜２０１ｃの設計中心波長を１６．６μｍとする。複層膜２０１ｄの設計中心波長を２８．５μｍとする。そして、全体として４〜３４μｍ程度のスペクトル範囲をカバーすべく、各複層膜の反射スペクトルを設計する。
【００２２】
従って、１６層の誘電体多層膜２０１の全体での反射スペクトルは各反射スペクトル３０１，３０２，３０３，３０４の和とほぼ等しく、例えば波長４μｍ〜３４μｍの範囲で８０％以上の反射率を設定することができる。
【００２３】
図５は、温度３００Ｋにおける黒体輻射のスペクトルの一例を示す図である。図５のグラフにおいて横軸は波長、縦軸は光強度を示す。図５のグラフによれば、輻射エネルギーの約８０％が波長約４μｍ〜３０μｍの範囲（符号４０１）に存在することが分かる。
【００２４】
したがって、導波路１０１の温度が３００Ｋ程度であれば、誘電体多層膜２０１を設けることで、導波路１０１から導波路１０２に輻射を介して伝達される熱エネルギーの６４％（８０％×８０％）以上を導波路１０１側に反射することができる。
【００２５】
導波路１０２，１０３の断面の大部分を占める誘電体１０３，１０４の輻射係数は、一般的に０．９以上であるので、誘電体多層膜２０１で反射された熱エネルギーのほとんどは導波路１０１側に吸収され、再反射は１０％以下である。このように第１の実施形態によれば、熱輻射により熱エネルギーが伝達されることを抑制できるようになり、ギャップ（間隙）を介した熱伝導を抑制することが可能になる。
【００２６】
既存の誘電体装荷型の分割導波管では、誘電体間の熱輻射による熱伝導が生じ、高温側と低温側との間で熱伝導を低減することが難しい。よって導波管を分割したことによるメリットが、小型化を図るばかりに失われてしまうというジレンマがあった。
【００２７】
これに対し第１の実施形態では、低温側の導波路に装荷された誘電体の表面に、誘電体多層膜などの反射膜を設け、誘電体間の熱輻射による熱伝導を遮断するようにした。これにより高温側の誘電体から輻射された熱（赤外線）は、低温側の誘電体表面の反射膜で反射される。誘電体の輻射率（＝吸収率）は０．８〜０．９と高いので、反射された赤外線はほとんど高温側の誘電体に吸収される。
【００２８】
従って高温側導波路と低温側導波路との間の熱輻射による熱伝導を遮断することができ、分割型導波管の本来のメリットである低熱伝導を実現することができる。これらのことから、第１の実施形態によれば、熱輻射による熱伝導を防止した分割型の導波管を提供することが可能になる。
【００２９】
［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る分割型導波管の間隙１０５の近傍を示す断面図である。図２と共通する箇所には同じ符号を付して示し、以下では第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３０】
第２の実施形態では、導波路１０２の、間隙１０５に接する開口に、遮熱部材としての吸熱部材を形成する。吸熱部材は、熱輻射を媒介する光線を吸収することにより、導波路１０１から導波路１０２への輻射熱を遮断する。
【００３１】
吸熱部材は、断熱材のスペーサ５０２を挟んで導波路１０２に取り付けられる熱伝導体５０１と、熱伝導体５０１の熱を伝達する熱伝達部材５０３と、ペルチェ素子５０４とを備える。ペルチェ素子５０４は電源５０５により給電されて自らを冷却し、これにより熱伝導体５０１の熱はペルチェ素子５０４に移動する。
【００３２】
また第２の実施形態では、熱伝導体５０１の導波路１０１と対向する側に、赤外線吸収膜６０１を形成するようにする。赤外線吸収膜６０１は、図２に示される誘電体多層膜２０１とは異なり赤外線を吸収する。なお赤外線は、熱輻射を媒介する光線の一例である。赤外線吸収膜６０１を設けることで、導波路１０１からの輻射熱は熱伝導体５０１に効率的に捕獲され、断熱効果を高めることができる。
【００３３】
さらに第２の実施形態では、放熱フィン５０６をペルチェ素子５０４に取り付け、ファン５０７から放熱フィン５０６に送風してペルチェ素子５０４の熱を放熱し、吸熱部材を冷却するようにしても良い。このようにしても、高温側導波路と低温側導波路との間の熱輻射による熱伝導を遮断することができるようになり、第２の実施形態によっても、輻射による熱伝導を防止した分割型の導波管を提供することが可能になる。
【００３４】
なお本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば誘電体多層膜２０１の構成は図３に限定されるわけではない。  
図７は、誘電体多層膜２０１の他の例を示す模式的に示す断面図である。図７に示されるように、誘電体多層膜２０１における複層膜２０１ａ〜２０１ｄの積層順は任意である。また図３の説明において述べたように、複層膜２０１ａ〜２０１ｄの各々に含まれる層の数も４に限定されるものではない。
【００３５】
以上、実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１，１０２…導波路、１０３，１０４…誘電体、１０５…間隙、１０６…超伝導デバイス、１０７…冷凍機、２０１…誘電体多層膜、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ…複層膜、３０１…中心波長５．７μｍの複層膜の反射スペクトル、３０２…中心波長９．７μｍの複層膜の反射スペクトル、３０３…中心波長１６．６μｍの複層膜の反射スペクトル、３０４…中心波長２８．５μｍの複層膜の反射スペクトル、４０１…エネルギーの８０％が存在する波長範囲、５０１…熱伝導体、５０２…スペーサ、５０３…熱伝達部材、５０４…ペルチェ素子、５０５…電源、５０６…放熱フィン、５０７…ファン、６０１…赤外線吸収膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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