(57)【要約】【課題】本発明は、導波管内を伝搬する電磁波のメインビームに影響を及ぼすことなく本稼動中にリアルタイムで電磁波出力を測定することができる電磁波出力測定装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】高出力マイクロ波加熱装置は、高周波のマイクロ波出力装置としてジャイロトロン１、出力されたマイクロ波を所望の方向に伝搬させるコルゲート導波管２及び内部に被加熱物が設置されたアプリケータ３を備えている。そして、コルゲート導波管２に隣接して電磁波出力測定装置４が配置されている。コルゲート導波管２には管軸方向に沿って複数の孔部が形成されており、これらの孔部から外部に漏出した電磁波が干渉して形成された平面波をアンテナ部４０で測定してコルゲート導波管２内の出力を算出する。【選択図】図１
2006300785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管軸方向に沿って穿設された複数の孔部からそれぞれ所定波長ずつずれた電磁波が漏出する導波管と、各孔部から外部に漏出する電磁波が干渉して形成された平面波を測定する測定手段と、測定手段からの測定データに基づいて電磁波の出力値を算出する算出手段とを備えていることを特徴とする電磁波出力測定装置。
【請求項２】
前記導波管は、内周面全体に周方向に溝部が形成されたコルゲート導波管であり、前記孔部は、前記溝部に対応して穿設されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波出力測定装置。
【請求項３】
前記測定手段は、前記導波管の管軸方向に対する前記平面波の伝搬方向角度に基づいて測定方向が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波出力測定装置。
【請求項４】
前記孔部の深さは、前記導波管内を伝搬する電磁波の波長以下に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電磁波出力測定装置。
【請求項５】
前記孔部の開口形状は、前記導波管の管軸方向の長さが電磁波の波長以下に設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電磁波出力測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の電磁波出力測定装置を備えた高出力マイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロトロン等の高出力マイクロ波を測定する電磁波出力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロトロン等のマイクロ波出力装置を用いて高周波加熱を行う場合、マイクロ波がどれだけ出力されているか把握する必要があり、そのための出力測定装置が提案されている。例えば、特許文献１では、ビーム状のマイクロ波をその伝播方向と異なる方向に集束させるミラーと、このミラーにより集束されたマイクロ波を小ホールを通して導入し熱化する金属又は誘電体より形成されたタンクと、このタンクを冷却するための冷却媒体が通過する冷却媒体通路と、この冷却媒体通路の入口・出口間の温度差からマイクロ波の出力を測定する手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波出力測定装置が記載されている。特許文献２では、ビーム状のマイクロ波をその伝播方向と異なる方向に集束させるミラーと、集束されたマイクロ波を通す程度の直径の異なる複数の小孔を有するスライド板と、選定した小孔以外の小孔を覆うフレームと、スライド板の小ホールを通して導入されたマイクロ波を熱化する金属又は誘電体より形成されたタンクと、このタンクを真空断熱層を介して収納する外胴と、タンクを冷却するための冷却媒体が通過する冷却媒体通路と、この冷却媒体通路の入口・出口間の温度差と流量からマイクロ波の出力を測定する手段と、ミラーとスライド板間の距離を調節できる焦点距離調節機構とを備えたマイクロ波出力測定装置が記載されている。また、特許文献３では、マイクロ波を吸収する液体に水よりもマイクロ波の吸収力の弱い化合物を混合してマイクロ波の照射による熱量を測定するマイクロ波熱量計が記載されている。
【特許文献１】特開平１−１６２１６４号公報
【特許文献２】特許第２６７０３５１号公報
【特許文献３】特開昭６２−２５０３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した先行文献では、マイクロ波が伝搬する導波管に付設して測定装置が設けられており、ミラーにより測定装置にマイクロ波のメインビームを導入して測定が行われている。したがって、測定のための試験出力時に測定が行われ、本稼動のマイクロ波出力時にリアルタイムで出力測定を行っていないため、本稼動中のマイクロ波出力が測定できない。仮に本稼動中に出力測定を行うと、メインビームへの影響は避けられず稼動を中断せざるを得なくなる。
【０００４】
そこで、本発明は、導波管内を伝搬する電磁波のメインビームに影響を及ぼすことなく本稼動中にリアルタイムで電磁波出力を測定することができる電磁波出力測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る電磁波出力測定装置は、管軸方向に沿って穿設された複数の孔部からそれぞれ所定波長ずつずれた電磁波が漏出する導波管と、各孔部から外部に漏出する電磁波が干渉して形成された平面波を測定する測定手段と、測定手段からの測定データに基づいて電磁波の出力値を算出する算出手段とを備えていることを特徴とする。さらに、前記導波管は、内周面全体に周方向に溝部が形成されたコルゲート導波管であり、前記孔部は、前記溝部に対応して穿設されていることを特徴とする。さらに、前記測定手段は、前記導波管の管軸方向に対する前記平面波の伝搬方向角度に基づいて測定方向が設定されていることを特徴とする。さらに、前記孔部の深さは、前記導波管内を伝搬する電磁波の波長以下に設定されていることを特徴とする。さらに、前記孔部の開口形状は、前記導波管の管軸方向の長さが電磁波の波長以下に設定されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る高出力マイクロ波加熱装置は、上記の電磁波出力測定装置を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、上記の構成を備えることで、導波管に穿設された複数の孔部から外部に漏出した電磁波を用いて電磁波の出力測定を行うようにしているので、導波管内を伝搬するメインビームに対して影響を及ぼすことなく測定を行うことが可能となる。また、各孔部から漏出する電磁波を所定波長ずつずらすことで、漏出した電磁波の干渉により平面波が形成されるようになり、形成された平面波を測定することで漏出した電磁波の出力を正確に測定することが可能となる。そして、測定される平面波の出力と電磁波の出力との相関関係を予め実験等により求め、その相関関係に基づいて算出式や対応テーブル等を作成しておけば、稼動中に測定手段により測定した結果に基づいてリアルタイムで電磁波の出力値を算出することができるようになる。
【０００８】
そして、内周面に周方向に沿って複数の溝部が形成されたコルゲート導波管を導波管として用いる場合には、孔部を溝部に対応して穿設すれば、各孔部からそれぞれ所定波長ずつずれた電磁波が漏出するようになり、外部漏出した電磁波によりノイズの少ない平面波を容易に形成することができる。
【０００９】
また、測定手段の測定方向を、導波管の管軸方向に対する平面波の伝搬方向角度に基づいて設定すれば、平面波の測定を正確に行うことが可能となり、測定手段の設定を簡単に行うことができる。
【００１０】
また、孔部の深さを導波管内を伝搬する電磁波の波長以下に設定し、また、孔部の開口形状において導波管の管軸方向の長さを電磁波の波長以下に設定しておくことで、導波管内を伝搬するメインビームに及ぼす影響を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明に係る実施形態を備えた高出力マイクロ波加熱装置に関する正面図である。高出力マイクロ波加熱装置は、高周波のマイクロ波出力装置としてジャイロトロン１、出力されたマイクロ波を所望の方向に伝搬させるコルゲート導波管２及び内部に被加熱物が設置されたアプリケータ３を備えている。そして、コルゲート導波管２に隣接して電磁波出力測定装置４が配置されている。
【００１３】
ジャイロトロン１は、下方に配置した電子銃１０から電子ビームを上方に向かって発射し超伝導磁石１１を備える電磁波発振部に打ち込むことで高周波で高出力の電磁波を発生させることができる。発生した電磁波は、電磁波を反射するミラー等を備えた方向変換部１２によりコルゲート導波管２内に入射するよう誘導される。
【００１４】
コルゲート導波管２は、円筒形の直管状で内周面において周方向に溝部が形成されている。溝部は、入射する電磁波の波長の約１／４の深さで断面矩形状に形成されており、隣接する溝部との間の間隔についても入射する電磁波の波長の約１／４に設定されている。溝部は、螺旋状に形成したり、複数の溝部を周方向に沿って平行に形成してもよい。こうした溝部を形成したコルゲート導波管２を用いることで、入射した電磁波を低損失の直線偏光モードで励振させて伝搬させることができる。コルゲート導波管２は、所定単位長さの導波管を結合して構成してもよい。
【００１５】
コルゲート導波管２の一部には、下部に複数の孔部が形成されて電磁波出力測定装置４に向けて電磁波が漏出するようになっている。図２は、電磁波が漏出する部分に関する管軸方向Ｃ−Ｃに沿って切断した場合の拡大断面図である。コルゲート導波管２の内周面には溝部２０が複数等間隔で形成されており、一部の溝部２０には、電磁波が漏出する孔部２１がそれぞれ穿設されており、各孔部２１は、管軸方向Ｃ−Ｃに沿って配列されている。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図を示している。図３に示すように孔部２１が設けられた領域は、平面状に切断されて厚さが薄く形成されており、孔部２１の深さＴがコルゲート導波管２内を伝搬する電磁波の波長以下となるように設定されている。また、孔部２１の開口形状は、図４に示すように、例えば、円形（図４（ａ））又は矩形（図４（ｂ））といった形状にすることができる。ただし、管軸方向Ｃ−Ｃの長さがコルゲート導波管２内を伝搬する電磁波の波長以下となるように設定する。円形の場合には、図４（ａ）に示す径ｒが波長以下となるように設定すればよい、また、矩形の場合には図４（ｂ）に示す長さＬを波長以下となるように設定すればよい。このように、孔部２１の深さ及び開口形状を設定することで、コルゲート導波管２内を伝搬するメインビームに影響を与えることなく電磁波を外部に漏出することができる。
【００１６】
なお、孔部２１の開口形状の面積を大きくしたり、孔部２１の数を多くすることで漏出する電磁波の出力を大きくすることが可能であるが、導波管内を伝搬する電磁波のメインビームに影響を与えないように調整することが必要である。例えば、導波管内を伝搬する電磁波のメインビームの出力が大きい場合には影響はないが、出力が小さい場合には影響が生じやすくなるので、メインビームの出力に応じて調整することが望ましい。
【００１７】
図５は、コルゲート導波管２に穿設された孔部２１からから漏出する電磁波が干渉して平面波が形成されることを説明する図である。
【００１８】
所定の方向に伝搬している電磁波の波長をλとした場合、時間が１周期経過すると１波長分の距離λだけ進む。したがって、ある時刻において、電磁波の進行方向に１波長分の距離だけ離れた位置では位相が２πずれていることになる。このことは、自由空間及びコルゲート導波管２内において伝搬する電磁波でも成立する。
【００１９】
ある位置から電磁波の進行方向に距離ｄだけ進んだ位置では、位相φは
φ＝２πｄ／λ
だけずれている。ここで、波数κを
κ＝２π／λ
とすると、位相φは、波数κと距離ｄとの積で与えられる。
【００２０】
コルゲート導波管２内では、電磁波は管軸方向Ｃ−Ｃに対して斜め方向に伝搬していると考えることができるので、電磁波の進行方向を向き波数κの大きさを持つ波数ベクトルΚを考えた場合、波数ベクトルΚは、管軸方向に平行な波数ベクトルΚHと管軸方向に垂直なベクトルΚVの和として表せる。
Κ＝ΚH＋ΚV
また、波数ベクトルΚの大きさκは、波数ベクトルΚH及びΚVの大きさをκH及びκVとすると、
κ＝（κH2＋κV2）1/2
となる。
ここで、波数ベクトルΚの大きさκは、周波数をｆ、光速をｃとすると
κ＝２π／λ＝２πｆ／ｃ
となる。また、波数ベクトルΚVの大きさκVは、コルゲート導波管２の溝部の底面から管軸までの距離をａとすると（図２参照）、
κV＝ρ／ａ
となる。ここで、ρは定数（値は2.405）である。
【００２１】
図５において、電磁波の進行方向の最も上流側の孔部２１から放射された電磁波が自由空間を距離ｄs伝搬する間に管軸方向に距離ｄwだけ伝搬したとする。その場合、点線で示された位置では位相が等しくなって平面波が形成される。距離ｄsだけ伝搬する場合の位相の遅れはκｄsで、管軸方向に距離ｄwだけ伝搬する場合の位相の遅れはκHｄwとなるので、平面波が形成される条件は、
κｄs＝κHｄw
となる。したがって、孔部２１から放射される平面波の管軸方向Ｃ−Ｃに対する放射角度θは、
【数１】
2006300785.tif 000003
として導かれる。ここで、ω＝２πｆである。
【００２２】
図６は、放射角度θとコルゲート導波管２内を伝搬する電磁波の周波数ｆとの関係をグラフ化したものである。この例では、ａ＝３１．７５ｍｍとしている。したがって、このグラフに基づいて孔部２１から漏出する電磁波による平面波の放射角度が求められるので、その放射角度に合せて測定すれば、正確な出力測定を行うことができる。
【００２３】
アプリケータ３は、コルゲート導波管２と結合した真空チャンバ内に被加熱物を配置し、コルゲート導波管２内を伝搬した電磁波を真空チャンバ内に導入して被加熱物に吸収させて加熱するようになっている。図７は、具体的な構成例に関する概略断面図を示している。真空チャンバ３０は、円筒形の胴部に図示せぬ真空ポンプと接続する排気口部３１及びコルゲート導波管２と結合する結合部３２が設けられており、胴部の一方の開口端部にチャンバ蓋３２が取り付けられている。チャンバ蓋３２には、真空チャンバ３０内に設置した被加熱物Ｔの加熱状態を確認するための覗き窓３３が設けられている。真空チャンバ３０内には、コルゲート導波管２から導入した電磁波を乱反射させる反射板３５が配置されており、また、胴部の他方の端部には拡散羽根３６が配設されている。拡散羽根３６は、真空チャンバ３０の外面に取り付けられたモータ３７により回転駆動されるようになっている。
【００２４】
真空チャンバ３０内に導入された電磁波は、図７中点線で示すように反射板３５で乱反射されて真空チャンバ３０内をランダムな方向に伝搬し、さらに回転する拡散羽根３６によって散乱させられてチャンバ内の空間に一様に分布するようになる。そのため、被加熱物全体に電磁波が満遍なく吸収されて均一な加熱状態を得ることができるようになる。
【００２５】
電磁波出力測定装置４は、コルゲート導波管２から外部に漏出する電磁波を検知して出力信号に変換するアンテナ部４０と、アンテナ部４０から送信された出力信号に基づいてコルゲート導波管２内を伝搬する電磁波の出力値を算出する算出部４１を備えている。
【００２６】
アンテナ部４０は、角錐状のホーンアンテナを備えており、その開口面は、コルゲート導波管２から外部に漏出する電磁波が干渉して形成される平面波の波面と一致するように設定されている。アンテナ部の測定方向を設定する場合には、上述したように平面波の放射角度に基づいてその測定方向を調整すればよい。このようにホーンアンテナを設定することで、入射する電磁波の方向を平面波の方向に制限することができ平面波の出力を正確に測定することができる。
【００２７】
測定を行う場合、まず試験的に小さい出力でジャイロトロン１から電磁波を出力し電磁波出力測定装置４において測定を行う。そして、測定された出力値とジャイロトロン１の出力値の比率を算出する。この場合、比率が１％を超えると、コルゲート導波管２から漏出する電磁波がメインビームに対して影響を与える可能性があることから、１％以下となるように、孔部２１の個数や開口形状を調整することが望ましい。
【００２８】
試験出力で算出された比率を算出部４１に記憶しておき、ジャイロトロン１の本稼動時にアンテナ部４０で測定された出力信号及び比率によりコルゲート導波管２内を伝搬する電磁波の出力を求める。求められた出力値は、ジャイロトロン１にフィードバックされて電子銃１０の出力を必要に応じて制御することでより安定した出力制御を行うことができる。そして、ジャイロトロン１の本稼動中にメインビームに影響を与えることなくリアルタイムで正確に測定できるので、アプリケータ内において安定した加熱処理を継続して行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る電磁波出力測定装置は、上述した高出力マイクロ波加熱装置以外にも、核融合プラズマ加熱装置、プラズマ計測装置等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る実施形態を備えた高出力マイクロ波加熱装置に関する正面図である。
【図２】コルゲート導波管の電磁波が漏出する部分に関する管軸方向に沿って切断した場合の拡大断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】コルゲート導波管に穿設した孔部の開口形状を示す模式図である。
【図５】コルゲート導波管２に穿設された孔部２１からから漏出する電磁波が干渉して平面波が形成されることを説明する図である。
【図６】放射角度θとコルゲート導波管内を伝搬する電磁波の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図７】アプリケータに関する概略断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    ジャイロトロン
２    コルゲート導波管
３    アプリケータ
４    電磁波出力測定装置
20    溝部
21    孔部
40    アンテナ部
41    算出部
【図１】
2006300785.tif 000004
【図２】
2006300785.tif 000005
【図３】
2006300785.tif 000006
【図４】
2006300785.tif 000007
【図５】
2006300785.tif 000008
【図６】
2006300785.tif 000009
【図７】
2006300785.tif 000010