(57)【要約】【課題】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を構成する。【解決手段】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。【選択図】図２
2006211626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶サファイア基板を母材とし、前記サファイア基板のカット面をＣ面とすると共に、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜を前記サファイア基板の表面に形成してなることを特徴とする極低温冷却用窓材。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却用窓材を冷却容器の電波導入窓に備え付けてなることを特徴とする天体観測装置用の極低温冷却装置。
【請求項３】
請求項１に記載の窓材をテラヘルツ波の受信部に備え付けてなることを特徴とする、テラヘルツ波観測を利用した検査機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天体観測装置をはじめとした各種検査・観測機器における電波受信機の冷却に用いられる極低温冷却用窓材、同極低温冷却用窓材を用いた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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を用いた各種観測を行う装置が注目されている。観測装置としては天体観測等の用途が考えられており、通常の可視光によっては確認できなかったような天体の観測に用いられている。こうした高性能な天体観測装置においては、サブミリ波領域，テラヘルツ波領域のような高周波電波を受信する目的から、電波受信機を絶対温度で４Ｋ以下に冷却可能な極低温冷却容器を備えることが要求されている。
【０００３】
その電波領域においては、多数並ぶ検出素子と共に、広視野を実現する大規模な焦点面アレイを搭載する天体観測装置が用いられるため、熱特性に優れた大型の冷却用窓材を極低温冷却容器の電波透過部に備えることが要求されている。その一方で、４K以下の低温を得るには極低温冷却容器を真空状態にする必要があり、このため、前記冷却用窓材は機械的強度の強いものが求められている。
【０００４】
従来、電波受信機を絶対温度で４Ｋ以下に冷却する場合、ブラックポリエチレンを冷却用窓材として用いることが知られている（特許文献１）。その冷却用窓材としては、赤外線放射による冷却容器の温度上昇，検出素子に対する熱負荷を低減することが要求されるが、ブラックポリエチレンは熱伝導率が低く、放熱性が悪いため、小型な冷却用窓材に限られる。
【０００５】
ブラックポリエチレンの他に、冷却用窓材としては石英を用いることが知られている。石英は、熱伝導率が高く、１０ミクロン帯の赤外線を効率よく吸収するため、優れた熱特性を示す。また、カット面をＺ面とすることにより、偏波特性からも優れたものが得られる。
【０００６】
広視野の天体観測装置においては、例えば口径１０ｍサイズのサブミリ波望遠鏡で視野１０分角を得るためには、光学設定では少なくとも直径１７０ｍｍの冷却用窓材が必要とされる。ところが、石英は大型の冷却用窓材を作製するのが困難であり、機械的強度も弱いため、直径１００ｍｍ以上の冷却用窓材を作製することでも非常に困難である。
【特許文献１】特開平２‐２２２３０２号公報
【０００７】
上述した天体観測装置以外では、例えば医療用検査、非破壊検査等の検査装置としての用途が考えられており、テラヘルツ波が固体内の物質原子の振動を直接捉えることができるため、Ｘ線を用いた装置に比べても高精度でかつ短時間で行うことができる。更には、放射線管理区域を設ける必要がなく、安全性が高いといった利点を有している。
【０００８】
しかしながら、被検査対象から放出されるテラヘルツ波は微弱である上に、空気の熱振動の影響を受けやすいという性質を持つ。そのため、テラヘルツ波が被検査対象から放出されて受信機に到達すると、ノイズがテラヘルツ波に発生してしまい、当該検査装置による検査可能範囲が制限されてしまうという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は、第1には、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、反射ロスが少なく、機械的強度が強いという特性を有する冷却用窓材を構成するところにある。第2には、少なくとも１７０ｍｍという大型の直径を有する上記冷却用窓材を備える天体観測装置用の極低温冷却装置を構成するところにある。第３には、特に微弱なテラヘルツ波の受信に際してのノイズを大幅に低減できる、テラヘルツ波観測を利用した検査機器を構成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る極低温冷却用窓材は、単結晶サファイア基板を母材とし、前記サファイア基板のカット面をＣ面とすると共に、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜を前記サファイア基板の表面に形成してなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に係る天体観測装置用の極低温冷却装置は、請求項１に記載の窓材を冷却容器の電波導入窓に備え付けてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３に係るテラヘルツ波観測を利用した検査機器は、請求項１に記載の窓材を有する冷却容器をテラヘルツ波の受信部に備え付けてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１に係る極低温冷却用窓材では、単結晶であるサファイア基板を母材とすることから、１０ミクロン帯の熱赤外線を効率よく吸収し、熱伝導率が高く、また、赤外線放射による冷却容器の温度上昇，および検出素子に対する熱負荷を低減できる。このため、電波受信機を絶対温度で４Ｋ以下に確実に冷却できる。
【００１４】
その単結晶のサファイア基板は、カット面をＣ面とすることで偏波特性にも優れ、サブミリ波領域で透明度が高いという特性を有すると共に、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜反射防止膜を母材の表面に形成することから、反射ロスを少なく抑えられる。このため、光学特性の優れた極低温冷却用窓材として最適のものが得られる。
【００１５】
殊に、単結晶のサファイア基板は機械的強度が強く、冷却容器が極低温冷却時の真空状態であっても充分耐えることができる。また、少なくとも１７０ｍｍという大型の直径を有する冷却用窓材として形成できるため、サブミリ波領域，テラヘルツ波領域のような高周波電波領域で、多画素の検出器アレイを搭載する電波受信機の極低温冷却に用いる窓材として備え付けられる。
【００１６】
本発明の請求項２に係る天体観測装置用の極低温冷却装置では、単結晶サファイア基板を母材とし、サファイア基板のカット面をＣ面とし、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜をサファイア基板の表面に形成した窓材を冷却容器の電波導入窓に備え付けるため、電波受信機を絶対温度で４Ｋ以下に安定して確実に冷却できる。また、温度４０Ｋにおいて、波長５００ミクロンで約９５％の透過率が得られることから、特に冷却時において高感度の、広視野を可能とする天体観測装置を実現できる。
【００１７】
本発明の請求項３に係るテラヘルツ波観測を利用した検査機器では、単結晶サファイア基板を母材とし、サファイア基板のカット面をＣ面とし、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜をサファイア基板の表面に形成した窓材を冷却容器の電波導入窓に備え付けるため、テラヘルツ波帯以外の光は反射・吸収されることにより冷却容器の内部に透過する量を抑えられる。テラヘルツ波受信機に到達するエネルギー量を抑えることで、結果的にテラヘルツ波受信機を冷やす効果を有する。そのため、より遠方の物質から発せられるような微弱なテラヘルツ波の受信及び観測も容易にできる。また、テラヘルツ波受信機におけるノイズを大幅に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の主たる冷却用窓材は、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）の厚膜反射防止膜を前記サファイア基板の表面に形成することにより構成されている。この冷却用窓材は後述するような電波受信機への電波の入射口として備え付けるべく、サファイア基板が直径１７０ｍｍ，厚み２ｍｍを有し、酸化珪素（ＳｉＯｘ）膜が６０ミクロンの厚みを有するよう形成されている。
【００１９】
その冷却用窓材は、単結晶サファイア基板を母材とすることから、１０ミクロン帯の熱赤外線を効率よく吸収し、熱伝導率が高く、また赤外線放射による冷却容器の温度上昇，および検出素子に対する熱負荷を低減できる。これにより、電波受信機を含む冷却容器を絶対温度で４Ｋ以下に確実に冷却できる。
【００２０】
その単結晶サファイア基板は、カット面をＣ面とすることで偏波特性に優れ、また、サブミリ波領域で透明度が高いという特性を有する。その一方で、前記サファイア基板は屈折率が高く、反射ロスが大きいものであるが、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜反射防止膜をサファイア基板の表面に形成することで、反射ロスを少なく抑えられる。このため、上述した冷却用窓材は光学特性の優れたものとして構成できる。
【００２１】
また、単結晶サファイア基板は冷却時の真空状態に耐えられるほど機械的強度が強いところから、直径１７０ｍｍ，厚み２ｍｍという大型の冷却用窓材として形成できる。そして、口径１０ｍのサブミリ波望遠鏡で視野１０分角を得るために、サブミリ波領域，テラヘルツ波領域のような高周波電波領域で、多画素の検出器アレイを搭載する電波受信機に用いる極低温冷却装置に好適な冷却用窓材として構成できる。
【００２２】
上記のような大型の単結晶サファイア基板を形成する方法としては、ＥＦＧ（Edge-defined,Film-fed
Growth）法を用いることが好ましい。ＥＦＧ法は、ＨＥＭ（Heat Exchanger Method）法と並んで代表的な単結晶育成法の一つである。以下、簡単に、ＥＦＧ法を用いた単結晶育成法につき述べる。
【００２３】
図１は、ＥＦＧ法による結晶成長の概略図を示す。ルツボ１には、溶融状態のサファイア融液Ｓが入っており、そこに、スリット（キャピラリ）２を設けたダイ（型）３ａ，３ｂが入っている。サファイア融液Ｓは、細い矢印で示すように、毛細管現象によりスリット２を上昇する。上昇したサファイア融液Ｓには種結晶Ｃを接触させ、その種結晶Ｃを引き上げていくことで、種結晶Ｃの下にサファイア基板を形成させることができる。ここで、ダイ３ａ，３ｂの幅Ｌを形成すべきサファイア基板の幅よりも大きくすることにより、大型のサファイア基板を容易に形成することができる。
【００２４】
前記サファイア基板のカット面は、種結晶Ｃの結晶方位を調整することによって決定することができる。太矢印Ｘから見た方向の面（引き上げ方向の面と垂直な面）を仮に単結晶面と称するとき、例えば単結晶面としてＣ面を有するサファイア基板を形成するには、単結晶面としてＣ面を有する種結晶Ｃを用いることが好ましい。
【００２５】
なお、単結晶育成方法は、ＥＦＧ法に限定されるものではなく、ＨＥＭ法など他の単結晶育成法としてもよい。
【００２６】
前記サファイア基板への酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜反射防止膜は、ＣＶＤ単層厚膜コーティングで形成されている。厚膜反射防止膜のコーティングには、プラズマＣＶＤ装置を適用できる。
【００２７】
例えば、プラズマＣＶＤ装置では、ガス導入管より原料ガスを供給し、誘電電極からの電磁波によるプラズマで促進された化学反応を反応室で起こし、この化学反応で生成された分子をチャンバーの内部に収容したサファイア基板の表面に付着させるようにできる。これにより、直径１７０ｍｍ，厚み２ｍｍのサファイア基板に対し、酸化珪素（ＳｉＯｘ）による６０ミクロン厚の単層厚膜を形成できる。
【００２８】
＜第１の実施の形態＞
上述した冷却用窓材を備える第１の実施の形態としては、図２で示すような天体観測装置の極低温冷却装置が挙げられる。図中、符号１０は極低温冷却受信装置、符号１１は冷却容器（ラジエーションシールド）、１２は電波受信機、１３は電波導入窓を示す。電波導入窓１３には、第1の冷却用窓材１４が冷却容器１の開口部に取り付けて備え付けられている。また、第２の冷却用窓材１５が冷却容器１１の内部に補助的に備え付けられることが好ましい。
【００２９】
第１の冷却用窓材１４は、シール材１４ａおよびインジウムの線材を外周に嵌め合わせて内外の保持枠１４ｂ，１４ｃで挟み込み、保持枠１４ｂ，１４ｃをネジ１４ｄ，１４ｅで締付け固定することから冷却容器１１の開口内に嵌込み固定されている。第２の冷却用窓材１５は、スタンド脚部を兼ねた保持枠１６で立て付け、シール材１５ａおよびインジウムの線材を外周に嵌め合わせて保持枠１６と相対する保持枠１５ｂとで挟み込み、保持枠相互１５ｂ，１６をネジ１５ｃ，１５ｄで締付け固定することから冷却容器１１の内部に備え付けられている。
【００３０】
ここで、インジウムの線材を保持枠１４ｂ、１４ｃ、１５ｂ、１６と冷却用窓材１４、１５との間に挟み込むのは、これらの熱接触を確保するためである。なお、第２の窓材１５は第１の窓材１４を補助するもので、第１の窓材１４のみであっても十分に機能を奏することができる。
【００３１】
その冷却用窓材１４，１５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）の厚膜反射防止膜を前記サファイア基板の表面に形成したものが備え付けられている。また、電波受信機１２への電波の入射口として備え付けるべく、サファイア基板が直径１７０ｍｍ，厚み２ｍｍを有し、酸化珪素（ＳｉＯｘ）膜が６０ミクロンの厚みを有するよう形成されている。
【００３２】
その冷却用窓材１４，１５は、単結晶サファイア基板を母材とすることから、１０ミクロン帯の熱赤外線を効率よく吸収し、熱伝導率が高く、また赤外線放射による冷却容器の温度上昇，および検出素子に対する熱負荷を低減できる。ここで、冷却容器１１を図示しない真空容器に入れて減圧し、冷却容器１１の内部を図示しない第1の冷却機構によって４０〜５０Ｋに冷却することで、電波受信機１２を図示しない第２の冷却機構によって４Ｋ以下に確実に冷却できるため好ましい。
【００３３】
単結晶のサファイア基板は、カット面をＣ面とすることで偏波特性に優れ、また、サブミリ波領域で透明度が高いという特性を有する。その一方で、前記サファイア基板は屈折率が高く、反射ロスが大きいものであるが、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜反射防止膜をサファイア基板の表面に形成することで、反射ロスを少なく抑えられるため、冷却用窓材１４，１５は光学特性の優れたものとして備え付けられている。
【００３４】
また、単結晶サファイア基板は冷却時の真空状態に耐えられるほど機械的強度が強いところから、直径１７０ｍｍ，厚み２ｍｍという大型の冷却用窓材として備え付けられている。それと共に、口径が１０ｍのサブミリ波望遠鏡で視野１０分角を得るために、サブミリ波領域，テラヘルツ波領域のような高周波電波領域で、多画素の検出器アレイを搭載する電波受信機１２に用いる極低温冷却装置１０に好適な冷却用窓材１４，１５として備え付けられている。
【００３５】
このように構成する冷却用窓材１４，１５を備える極低温冷却装置１０における電波の透過率は、図３のフーリエ分光器により測定した電波の透過特性で示す如く、常温においては電波の吸収が大きいが、温度４０Ｋにおいては波長５００ミクロンで約９５％の透過率が得られる。また、温度３００Ｋにおいても、上記極低温冷却装置では約７０％の透過率が得られる。このことから、口径１０ｍのサブミリ波望遠鏡で視野１０分角を得る広視野高感度の天体観測装置を実現できる。
【００３６】
＜第２の実施の形態＞
上述した冷却用窓材を備える第２の実施の形態としては、テラヘルツ波観測を利用した検査機器が挙げられる。この検査機器のテラヘルツ波受信部は、図２で示す第１の実施形態に係る天体観測装置の極低温冷却装置と同様に構成できる。すなわち、被検査対象から受信したテラヘルツ波はテラヘルツ波導入窓１３より、第1の窓材１４を経て入射し、テラヘルツ波受信機１２がこれを検知するよう構成されている。
【００３７】
図２を援用し、テラヘルツ波受信部の構成各部を説明すると、符号１０は受信装置、符号１１は容器、１２はテラヘルツ波受信機、１３はテラヘルツ波導入窓を示す。テラヘルツ波導入窓１３には、第1の窓材１４が容器１の開口部に取り付けて備え付けられている。また、第２の窓材１５が容器１１の内部に補助的に備え付けられることが好ましい。
【００３８】
シール材１４ａ，１５ａおよびインジウムの線材を窓材１４，１５の外周に嵌め合わせ、窓材１４，１５を内外の保持枠１４ｂ，１４ｃ、１５ｂ、１６で挟み込んでネジ１４ｄ，１４ｅ、１５ｃ、１５ｄで締付け固定することでも同様に構成されている。第２の窓材１５は第１の窓材４を補助するもので、第１の窓材１４のみであっても十分に機能を奏することができる。ここでも、インジウム線材をシール材１４ａ，１５ａと共に挟み込むと、これらの熱接触を確保し、容器へと熱を逃がすことができるため、なお好ましい。
【００３９】
窓材１４，１５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、第１の実施形態と同様に、酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜反射防止膜を前記サファイア基板の表面に形成することにより構成されている。ここで、単結晶サファイア基板はより広い検査範囲を得るためにも広視野であることが好ましい。単結晶サファイア基板は真空状態に耐えられるほど機械的強度が強いところから、直径１７０ｍｍ，厚み２ｍｍという大型の窓材も形成可能である。
【００４０】
容器１１の内部の雰囲気は通常の大気でも構わないが、例えばアルゴン，窒素等の不活性ガスを充填すれば、テラヘルツ波が最も影響を受けやすい水蒸気を排除することができるため好ましい。また、容器１１を真空中もしくは不活性ガス中において図示しない冷却装置により冷却すれば、容器１１内外の気体の熱運動を抑えることができるため、なお好ましい。
【００４１】
このように構成する窓材１４，１５を備える受信装置１０では、単結晶サファイア基板を母材とした窓材１４，１５を容器１１のテラヘルツ波導入窓１３に備え付けるため、単結晶サファイア基板はカット面をＣ面として、表面に酸化珪素（ＳｉＯｘ）の厚膜を形成することで、反射ロスを少なく抑え、テラヘルツ波領域での透明度を高くすることができる。
【００４２】
それと共に、テラヘルツ波帯以外の光は反射・吸収されることで容器１１の内部に透過する量を抑えられる。テラヘルツ波受信機１２に到達するエネルギー量を抑えることで、テラヘルツ波受信機１２の発熱を防ぐ効果を有する。このため、より遠方の物質から発せられるような微弱なテラヘルツ波の受信も容易にすることができる上、テラヘルツ波受信機におけるノイズを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る単結晶サファイア基板を作製する方法の一例（ＥＦＧ法）を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る極低温冷却装置の構造を示す説明図である。
【図３】図２の極低温冷却装置から得られるフーリエ分光器により測定した電波の透過特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１０            極低温冷却装置
１１            冷却容器
１２            電波受信機
１３            電波導入窓
１４，１５      冷却用窓材
【図１】
2006211626.tif 000003
【図２】
2006211626.tif 000004
【図３】
2006211626.tif 000005