(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザーから第１のビーム光と第２のビーム光を発生し、前記第１のビーム光を第１のテラヘルツ電磁波に変換して試料分析チャンバーに導入し、前記第１のテラヘルツ電磁波を前記試料分析チャンバーに配置した第１の試料に伝播させて、前記第１の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記第１の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第２のビーム光を第２のテラヘルツ電磁波に変換して前記試料分析チャンバーに導入し、前記第２のテラヘルツ電磁波を前記試料分析チャンバーに配置した第２の試料に伝播させて、前記第２の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記第２の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第１の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記第２の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法。
【請求項２】
請求項１のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法において、前記第１のビーム光と前記第２のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し、前記第１のテラヘルツ電磁波と前記第２のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法。
【請求項３】
請求項１のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法において、前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記第１の試料と前記第２の試料のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法。
【請求項４】
フェムト秒レーザーから第１のビーム光と第２のビーム光を発生し、前記第１のビーム光を第１のテラヘルツ電磁波に変換して水分析チャンバーに導入し、前記第１のテラヘルツ電磁波を前記水分析チャンバーに配置した磁気処理水に伝播させて、前記磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第２のビーム光を第２のテラヘルツ電磁波に変換して前記水分析チャンバーに導入し、前記第２のテラヘルツ電磁波を前記水分析チャンバーに配置した非磁気処理水に伝播させて、前記非磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記非磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記非磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法。
【請求項５】
請求項４のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法において、前記第１のビーム光と前記第２のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し、前記第１のテラヘルツ電磁波と前記第２のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法。
【請求項６】
請求項４のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法において、前記の特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記磁気処理水と前記非磁気処理水のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法。
【請求項７】
第１のビーム光と第２のビーム光を発生するフェムト秒レーザー；前記フェムト秒レーザーで発生した前記第１のビーム光と前記第２のビーム光が伝播する、第１の試料と第２の試料を収納する試料分析チャンバー；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第１のビーム光を第１のテラヘルツ電磁波に生成する第１のテラヘルツ電磁波生成手段；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第１のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第１のテラヘルツ電磁波が伝播する前記第１の試料の試料載置部；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第１の試料載置部に伝播した前記第１のテラヘルツ電磁波を導出する第１のテラヘルツ電磁波導出手段；前記第１の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう第１の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段；前記第１の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測する第１のテラヘルツ電磁波試料吸収値計測手段；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第２のビーム光を第２のテラヘルツ電磁波に生成する第２のテラヘルツ電磁波生成手段；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第２のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第２のテラヘルツ電磁波が伝播する前記第２の試料の試料載置部；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第２の試料載置部に伝播した前記第２のテラヘルツ電磁波を導出する第２のテラヘルツ電磁波導出手段；前記第２の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう第２の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段；前記第２の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測する第２のテラヘルツ電磁波試料吸収値計測手段；および前記第１の試料テラヘルツ電磁波吸収値計測手段で計測した前記第１の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記第２の試料テラヘルツ電磁波吸収値計測手段で計測した前記第２の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めるテラヘルツ電磁波吸収値差計測手段よりなることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置。
【請求項８】
請求項７のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、前記第１のビーム光と前記第２のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し、前記第１のテラヘルツ電磁波と前記第２のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置。
【請求項９】
請求項７のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、前記の特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記第１の試料と前記第２の試料のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置。
【請求項１０】
第１のビーム光と第２のビーム光を発生するフェムト秒レーザー；前記フェムト秒レーザーで発生した前記第１のビーム光と前記第２のビーム光が伝播する、磁気処理水と非磁気処理水を有する水分析チャンバー；前記第１のビーム光を第１のテラヘルツ電磁波に生成する第１のテラヘルツ電磁波生成手段；前記第１のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第１のテラヘルツ電磁波が伝播する、前記水分析チャンバーに設けた前記磁気処理水を収納した磁気処理水載置部；前記磁気処理水載置部を伝播した前記第１のテラヘルツ電磁波を導出する第１のテラヘルツ電磁波導出手段；前記磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう磁気処理水テラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段；前記磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測するテラヘルツ電磁波磁気処理水吸収値計測手段；前記第２のビーム光を第２のテラヘルツ電磁波に生成する第２のテラヘルツ電磁波生成手段；前記第２のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第２のテラヘルツ電磁波が伝播する、前記水分析チャンバーの設けた前記非磁気処理水を収納した非磁気処理水載置部；前記非磁気処理水載置部を伝播した前記第２のテラヘルツ電磁波を導出する第２のテラヘルツ電磁波導出手段；前記非磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう非磁気処理水テラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段；前記非磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測するテラヘルツ電磁波非磁気処理水吸収値計測手段；および前記磁気処理水の前記テラヘルツ電磁波磁気処理水吸収値計測手段で計測した前記磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記非磁気処理水の前記テラヘルツ電磁波非磁気処理水吸収値計測手段で計測した前記非磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めるテラヘルツ電磁波吸収値差計測手段よりなることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置。
【請求項１１】
請求項１０のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置において、前記第１のビーム光と前記第２のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し前記第１のテラヘルツ電磁波と前記第２のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置。
【請求項１２】
請求項１０のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置において、前記の特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記磁気処理水と前記非磁気処理水のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置に関し、特にフェムト光を用いテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用したテラヘルツ電磁波を用いた試料の集合体構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の集合体構造分析装置に関する。
【０００２】
本発明は特にテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置に関し、特にフェムト光を用いテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用したテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の集合体構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の集合体構造分析装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の試料として例えば水の構造の検出法として、Ｘ線回折法、核磁気共鳴法、ラマン分光分析法、赤外吸収法など種々試みられてきているもののそれぞれの方法に問題があり、未だ水の構造検出、構造分析には至っていない。
【０００４】
例えば、Ｘ線回折法は、電子濃度に過敏であり、ラマン分光分析法は、非常に低い波数を用いる必要があり、ラマン分光分析法は複雑なスペクトルピークが現れるなどの問題がある。このように、水の構造を分析する方法がないために、磁気処理水等の効能の原因は未だ不明であり、また水の構造分析が不可能であるために、水の処理の最適化やより高度な水の精製も行えない状況にある。
【０００５】
一方、テラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムは、環境や健康科学に関して効能を持つとされる種々の処理を施した水の構造を分析するのに利用できる。この水の構造分析には磁気処理水を採用し、水中に含まれるミネラル種およびそれらの濃度と磁気処理による水の構造変化との関係を明らかにし、テラヘルツ電磁波による水の構造分析により、磁気処理水の生体（植物）や化学現象における効能を究明することが望まれている。
【０００６】
テラヘルツ電磁波は、一般に３００ギガヘルツ（３００ＧＨｚ）から１０テラヘルツ（１０ＴＨｚ）の周波数帯域の電磁波で、光波と電波の中間に位置している。この周波数領域には、固体中のプラズマ周波数、超伝導体エネルギーギャップガップ、巨大分子の振動モード、様々の分子間相互作用、および気体中の振動スペクトルなどの特性が存在している。テラヘルツ電磁波は、物質をイオン化させない、物質を破壊しない、光波同様の光学系を構築できる、高い位相の感受率を持つなどの特長があり、分光、イメージング、センシングなどの幅広い応用をもつ。
【０００７】
テラヘルツ電磁波時間領域分光システムは、テラヘルツ電磁波の時間波形を測定する手法である。測定した時間波形をフーリュ変換することで、テラヘルツ領域の電場の振幅と位相の周波数成分を得る。この手法は、振幅と位相差を同時に測定できるので、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ変換を使わずに光学定数を決定できる。
【０００８】
時間領域分光法は、時間遅延を用いることで電磁波の時間波形を検出する方法を透過型時間領域分光法と呼ぶ。透過型時間領域分光法を用いると、電磁波がサンプルを透過する前後での位相差と電磁波の電界振幅の減衰より、物質の複素屈折率、複素導電率などの導出が可能であり、全周波数領域を必要とするＫｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ変換を必要としないという特長を持っている。
【０００９】
本発明の一実施例では、通常の水に比べ水クラスタのサイズが小さいといわれている磁気処理水を取り扱っている。また、磁気処理水と比較するために、非処理水、脱イオン水、および蒸留水を用意した。用意した様々の水を、それぞれ厚さ６０μｍ、１３０μｍ、および２１０μｍの場合について、テラヘルツ電磁波時間領域分光システムを用いて測定した。磁気処理水、植物などに影響を及ぼすとされている水の定量的な評価が可能になった。水クラスタのサイズが小さくなるといわれている磁気処理水を主なサンプルとし、様々な水に関して、テラヘルツ電磁波時間領域分光システムを用いて測定を行った。
テラヘルツ放射発生に、フェムト秒パルスレーザーで励起された半導体素子による発生法で、時間領域分光法を用いることで直接電磁波の時間波形測定が可能であり、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ変換なしに物質の複素屈折率や複素誘電率、複素導率など定数を求めることができる。
【００１０】
フェムト秒パルスレーザーとしては、チタン・サファイヤレーザーやエルビユーム（Ｅｒ）ドープファイバレーザーがある。
水の構造モデルは、水の分子間ネットワークで水素結合により集合体を形成している。そして、ランダムネットワークモデルでは、ピコ秒オーダーで構造変化し、クラスターモデルでは、テラヘルツ帯の分子間振動する。このためテラヘルツ分光分析が有効である。
【００１１】
一方、水の効能については、磁気処理水の吸収特性の影響の解明と、磁気処理水の微量の含有金属イオンの影響の解明が必要である。
【００１２】
従来の試料として例えば水の構造の検出法として、フェムト光を用いテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用したテラヘルツ電磁波による水の構造分析方法が知られている。この従来の水の構造分析方法においては、１個のビ−ム光（シングルビーム光）を用い、水分析チャンバーに１個の試料（例えば、１種類の水のサンプル）を収容し、一つ一つの試料（サンプル）のみ分析、測定していた。例えば、磁気処理水と非処理水、脱イオン水、および蒸留水との分析においては、それぞれの試料を水分析チャンバーに１回毎に入れ替え、個々の試料のデータを得ていた。
【００１３】
テラヘルツ電磁波は、空気中の水分に対して強く吸収され易い性質を有する。テラヘルツ電磁波は、空気中の水分でかき乱され易い。いいかれば、テラヘルツ電磁波は、テラヘルツ電磁波が伝播する空気中の影響を受け易い。従来の試料分析チャンバー内部での個々の試料による分析は、試料を試料分析チャンバーに入れ替えて時間間隔をおいて行われていた。２種類以上の試料分析の場合、それぞれの試料は、試料分析チャンバー内部の環境条件が変化するので、テラヘルツ電磁波が水分に吸収される具合（吸収率）が変化した。このように、試料分析チャンバー内部に収容した２種類以上の試料の集合体構造を分析しようとしても、試料分析チャンバー内部の環境条件が変化するので、テラヘルツ電磁波は試料分析チャンバー内部の空気によって吸収されるテラヘルツ電磁波の水分割合が異なる等の外乱による差異が生じていた。
【００１４】
このため、テラヘルツ電磁波を用いて、２種類以上の試料の集合体を分析をしようとしても、この場合は試料の集合体構造の精密な測定が不可能であった。例えば、磁気処理水と非磁気処理水の分析の場合、水分析チャンバー内部の環境条件が変化し、例えば２種類の試料である磁気処理水と非磁気処理水とのテラヘルツ電磁波の与える影響が異なるので、磁気処理水と非磁気処理水との集合体構造の相互関連を一度にかつ即座に得られなかった。
【００１５】
また、試料分析チャンバー内部の環境条件が変化するので、試料分析チャンバー内部に配置された個々の試料の集合体構造は、得られるテラヘルツ電磁波吸収係数にばらつきが生じていた。
【００１６】
なお、パルス幅がフェムト秒以上１０ピコ秒以下のパルスレーザー光を用いた半導体デバイスの故障診断方法と装置（特許文献１）やパルス幅がフェムト秒以上１０ピコ秒以下のパルスレーザー光を用いた集積回路断線検査方法と装置（特許文献２）は公知である。
【００１７】
［特許文献１］特開２００６−２４７７４号公報
［特許文献２］特開２００４−２２８２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、試料分析チャンバー内部の環境条件に影響を受けないテラヘルツ電磁波を用いた２種類以上の試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置を提供することにある。
【００１９】
本発明の目的は、試料分析用チャンバーの同一の環境条件下で、２種類以上の試料の構造分析を正確に行なうことができるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、２種類以上の試料を分析する際、各試料の集合体構造が精密に測定できるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、２種類以上の試料の特定のテラヘルツ電磁波の吸収特性の影響が解明できるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は、２種類以上の試料についての微量の含有金属イオンの影響が解明できるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置を提供することにある。
【００２３】
本発明の他の目的は、試料の集合体構造で、試料の集合体に含有されているイオンの種類によって生じる差異を検出して微量のイオン種を特定（同定）できるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の特徴は、フェムト秒レーザーから第１のビーム光と第２のビーム光を発生し、前記第１のビーム光を第１のテラヘルツ電磁波に変換して試料分析チャンバーに導入し、前記第１のテラヘルツ電磁波を前記試料分析チャンバーに配置した第１の試料に伝播させて、前記第１の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記第１の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第２のビーム光を第２のテラヘルツ電磁波に変換して前記試料分析チャンバーに導入し、前記第２のテラヘルツ電磁波を前記試料分析チャンバーに配置した第２の試料に伝播させて、前記第２の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記第２の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第１の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記第２の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法にある。
【００２５】
本発明の特徴は、第１のビーム光と第２のビーム光を発生するフェムト秒レーザー；前記フェムト秒レーザーで発生した前記第１のビーム光と前記第２のビーム光が伝播する、第１の試料と第２の試料を有する試料分析チャンバー；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第１のビーム光を第１のテラヘルツ電磁波に生成する第１のテラヘルツ電磁波生成手段；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第１のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第１のテラヘルツ電磁波が伝播する前記第１の試料の試料載置部；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第１の試料載置部に伝播した前記第１のテラヘルツ電磁波を導出する第１のテラヘルツ電磁波導出手段；前記第１の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう第１の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段；前記第１の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測する第１のテラヘルツ電磁波試料吸収値計測手段；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第２のビーム光を第２のテラヘルツ電磁波に生成する第２のテラヘルツ電磁波生成手段；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第２のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第２のテラヘルツ電磁波が伝播する前記第２の試料の試料載置部；前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第２の試料載置部に伝播した前記第２のテラヘルツ電磁波を導出する第２のテラヘルツ電磁波導出手段；前記第２の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう第２の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段；前記第２の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測する第２のテラヘルツ電磁波試料吸収値計測手段；および前記第１の試料テラヘルツ電磁波吸収値計測手段で計測した前記第１の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記第２の試料テラヘルツ電磁波吸収値計測手段で計測した前記第２の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めるテラヘルツ電磁波吸収値差計測手段よりなるテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置にある。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、２種類以上の試料について測定する際、２種類以上の試料を同一の試料分析チャンバーに収容し、２種類以上の試料は試料分析チャンバー内部では同一の環境条件の下で置かれるので、２種類以上の試料は試料分析チャンバーの同じ水分状態で特定のテラヘルツ電磁波を吸収することができる。
【００２７】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、２種類以上の試料での試料分析チャンバーでの空気に起因する水分の吸収による外乱を防止できる。
【００２８】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、２種類以上の試料に関する特定のテラヘルツ電磁波の吸収係数を正確に得ることができる。
【００２９】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、２種類以上の試料に関する吸収される特定のテラヘルツ電磁波の精密な分析、測定ができる。
【００３０】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、試料の集合体に関するテラヘルツ電磁波の吸収特性の影響が解明できる。
【００３１】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、試料の構造体の微量な（金属）含有イオンの影響が解明できる。
【００３２】
本発明によれば、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、試料の集合体構造で、試料に含有されている（金属）イオンの種類によって生じる差異を検出して、微量の（金属）イオン種を特定（同定）できる。
【実施例】
【００３３】
本発明の好ましい実施形態として、テラヘルツ電磁波を用いた処理試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた処理試料の構造分析装置の一例として、試料として水を例にとり、テラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置の一実施例について以下説明する。
【００３４】
図１は、本発明の一実施例であるテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置を示す。磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００は、２ビーム型（ダブルビーム型）テラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを採用した磁気処理水と非磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを利用したテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００である。
【００３５】
図１において、テラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００は、励起用ファイバレーザーであるフェムト波ファイバレーザー（フェムト波パルスレーザー：励起型ファイバレーザー）１を備えている。このフェムト波ファイバレーザーで発生するレーザーは、例えば波長７８０ｎｍ、パルス幅８２ｆｓ、パルス繰り返し数（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）８２ＭＨｚである。
【００３６】
このフェムト波パルスレーザー１から発生されたレーザー光である主ビーム光ａは伝播され、ファイバカプラー（ファイバ連結器）２に到達する。このファイバカプラー２によって、主ビーム光ａは２種類のビーム光ｂとビーム光ｃとに分岐される。
【００３７】
ファイバカプラー２から分岐された一方の分岐ビーム光ｂは、ポラライザー（偏光板、偏光子）３、チョッパー４を通り、ファイバカプラー５に伝播、導入される。ファイバカプラー５により、分岐ビーム光ｂは、さらに２種類のビーム光ｄとビーム光ｅとに分岐される。分岐された２種類の分岐ビーム光ｄと分岐ビーム光ｅとの両ビーム光ｄ、ｅは、水分析チャンバー２０に、それぞれ伝播、導入される。
【００３８】
磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００に設けられた水分析チャンバー２０の一側には、試料水（磁気処理水）のテラヘルツ電磁波エミッター６Ａ、試料水分析セル（磁気処理水分析セル）を有する試料水部（磁気処理水部）または試料水分析セル載置台７Ａとテラヘルツ電磁波検出器８Ａが配置されている。また、水分析チャンバー２０の他側には、標準試料水（非処理水部）のテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂ、標準水分析セル（非磁気処理水分析セル）を有する標準試料水部（非処理水部）または標準試料水分析セル載置台７Ｂとテラヘルツ電磁波検出器８Ｂとが配置されている。
【００３９】
この磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００の水分析チャンバー２０の上記テラヘルツ電磁波エミッター６Ａおよび上記テラヘルツ電磁波エミッター６Ｂは、それぞれ光導伝スイッチテラヘルツ電磁波発信機を構成し、また上記テラヘルツ電磁波検出器８Ａおよび上記テラヘルツ電磁波検出器８Ｂは、それぞれ光導伝スイッチテラヘルツ電磁波受信機を構成している。
【００４０】
上述した試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ａ、試料水部（試料載置台）７Ａ、テラヘルツ電磁波検出器８Ａと、標準試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂ、標準試料水部（標準試料載置台）７Ｂ、テラヘルツ電磁波検出器８Ｂとは、それぞれ対向して水分析チャンバー２０の内部に配置されている。
【００４１】
試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ａと標準試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂは、同じ構造で同じ大きさであり、同様な作用を行なう。また、試料水テラヘルツ電磁波検出器８Ａと標準試料水テラヘルツ電磁波検出器８Ｂとは、同じ構造で同じ大きさであり、同様な作用を行なう。
【００４２】
分岐ビーム光ｄは、試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ａに伝播、導入され、テラヘルツ電磁波となって試料水部７Ａと検出器８Ａに伝播される。一方、分岐ビーム光ｅは、標準試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂに伝播、導入され、テラヘルツ電磁波となって標準試料水部７Ｂと検出器８Ｂに伝播される。また直流供給源１３からの直流電圧は、試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ａと標準試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂとに供給、印加される。
【００４３】
一方、フェムト波ファイバレーザー１で発生された主レーザー光ａは、ファイバカプラー２によってビーム光ｃに分岐される。この分岐ビーム光ｃは、ポラライザー（偏光板、偏光子）９に伝播される。さらに、この分岐ビーム光ｃは、レンズ１０を通過してリトロリフレクタ１１に空気伝播され、このリトロリフレクタ１１で光の通過する長さ等を調節する。リトロリフレクタ１１で時間遅延操作等後、空気伝播され、再びビーム光ｃとなり、ファイバカプラー１２に伝播、導入される。
【００４４】
ビーム光ｃは、ファイバカプラー１２により、ビーム光ｆとビーム光ｇとに分岐される。分岐されたビーム光ｇは、水分析チャンバー２０に配置された試料水のテラヘルツ電磁波検出器８Ａに伝播、導入される。一方、分岐されたビーム光ｆは、水分析チャンバー２０に配置された標準試料のテラヘルツ電磁波検出器８Ｂに伝播、導入される。試料水のテラヘルツ電磁波検出器８Ａからの信号と標準試料水のテラヘルツ電磁波検出器８Ｂからの信号は、増幅器１５に入力される。
【００４５】
磁気処理水と非磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析装置１００の上記チョッパー４は、ロック・イン・増幅器１６に接続されている。ロック・イン・増幅器１６には、テラヘルツ電磁波時間領域分光分析用および自動測定用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７が接続されている。
【００４６】
このパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７には、スペクトル（図形形成部）１８が接続されている。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７からの信号でスペクトル（図形形成部）１８を表示する。なお、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７自体でスペクトルを見ることもできる。また、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７には、ステージコントローラ１４が接続されている。このステージコントローラ１４は、リトロリフレクタ１１に接続され、時間遅延を与える等の操作制御を行なう。
【００４７】
また、試料水部７Ａの検出器８Ａからの信号と標準試料水部７Ｂの検出器８Ｂからの信号は演算増幅器（Ａｍｐ）１５にそれぞれ入力され、この演算増幅器１５からの信号は、ロック・イン・増幅器（ロック・イン・Ａｍｐ）１６に入力される。
【００４８】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７は、データの取り込み、フエーリュ変換を行い、周波数スペクトルの変換、２種類の試料（磁気処理水、非磁気処理水）の周波数スペクトルを差し引く等の操作が行われる。
【００４９】
図１に示したテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００において、フェムト波ファイバレーザー１からのビーム光ｄとビーム光ｅは、同じ強度（同じ振幅）で同位相（同じ位相）を有している。このように、本発明の上記実施例では、フェムト波ファイバレーザー１からの二つのビーム光ｄ、ｅ、いいかえれば二重ビーム光（ダブルビーム光）ｄ、ｅが水分析チャンバー２０の内部に伝播される。
【００５０】
ビーム光ｄは、試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ａでテラヘルツ電磁波に変換され、試料水部７Ａとテラヘルツ電磁波検出器８Ａに伝播される。また、ビーム光ｅは、標準試料水のテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂでテラヘルツ電磁波に変換され、標準試料水部７Ｂとテラヘルツ電磁波検出器８Ｂに伝播される。
【００５１】
図１に示したテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００において、テラヘルツ電磁波エミッター６Ａから試料水部７Ａに伝播されるテラヘルツ電磁波とテラヘルツ電磁波エミッター６Ｂから標準試料水部７Ｂに伝播されるテラヘルツ電磁波は、同じ強度（同じ振幅）で同位相（同じ位相）を有している。
【００５２】
それぞれのテラヘルツ電磁波の信号は、ステージコントローラ１４、リトロリフレクタ１１、増幅器１５、ロック・イン・増幅器１６、およびパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７等により、テラヘルツ電磁波時間領域分光分析が実行される。そして、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７の信号を用いて、スペクトル１８を表示する。
【００５３】
つぎに水の磁気処理について述べる。対象となる水は、脱イオン水で、電気抵抗率は１６ＭΩｃｍ以上であり、ミネラル水は、次の３種類を用いた。
（１）硬度２０
濃度（/１００ｍｌ）（Ｃａ：０．５１ｍｇ、Ｍｇ：０．１４ｍｇ、
Ｎａ：０．８６ｍｇ、Ｋ：０．０８ｍｇ）
（２）硬度９０
濃度（/１００ｍｌ）（Ｃａ：２．６６ｍｇ、Ｍｇ：０．５０ｍｇ、
Ｎａ：０．８６ｍｇ、Ｋ：０．１９ｍｇ）
（３）硬度１５００
濃度（/１００ｍｌ）（Ｃａ：６．７９ｍｇ、Ｍｇ：３４ｍｇ、
Ｎａ：４．８７ｍｇ、Ｋ：０．１３ｍｇ）
また、磁気処理条件は、回転速度：５００ｒｐｍ、かくはん時間：３０分、水量：２００ｃｃ、および温度：２０℃であった。
【００５４】
磁石として、ネオジウム磁石（Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ）を使用し、残留磁場強度は１．２Ｔｅｓｌａ、高磁場強度は１１ｋＯｅ、および表面磁場強度は４４００ガウス（Ｇａｕｓｓ）であった。
【００５５】
試料として用意した水は、いずれの処理も行っていない水道水（非処理水）、脱イオン水、蒸留水、および磁気処理水である。水はテラヘルツオーダの電磁波の領域では非常に吸収が大きくなるので、試料（水）の厚さを薄くする必要がある。そこで、テラヘルツ電磁波領域での透過性と、扱いやすさを考慮して、ガラス板を用いて試料（水）を封入するための２種類のセルを作成した。
【００５６】
一方は、厚さが約１ｍｍのガラス板にウエットエッチングを施すことで直接ガラス板に溝を作成した。その溝は、縦が約１０ｍｍ、横が約１０ｍｍ、および深さが約３０μｍである。測定では同様なセルを２つ用意し、溝を重ね合わせるようにセルで試料（水）を挟む込むことで厚さ約６０μｍの試料（水）とした。
【００５７】
他方は、薄い平板を用意し、その中央を抜くことで試料（水）の封入スペースとした。用意した平板は、厚さ約１３０μｍのガラス板、および厚さ約２１０μｍのプラスチック板である。測定では、平板を厚さが約１ｍｍのガラス板２枚で挟み込み、そこに試料（水）を封入して、厚さ約１３０μｍのサンプル、および厚さ約１３０μｍの試料（水）とした。
【００５８】
テラヘルツ電磁波の発生素子と検出素子について説明する。フェムト秒レーザー励起による様々な材料や素子からのテラヘルツ電磁波発生がある。この実施例では、低温成長型ＧａＡｓ光伝導アンテナ（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｇｒｏｗｎ  ＧａＡｓ  ａｎｔｅｎｎａ、ＬＴ−ＧａＡｓ）および半導体表面からの発生を用いた。
テラヘルツ電磁波が電気光学結晶に照射されると、電気光学効果であるポッケルス効果により、その電場強度に応じて結晶の複屈折率に微小に変化が生じる。そこに同期してフェムト秒レーザーを用いて結晶中を透過させると、電気光学結晶中の複屈折率の変化に応じてフェムト秒レーザーの偏光状態がわずかに変化する。
【００５９】
変化を受けたフェムト秒レーザーは、λ/４板を通った後、偏光ビームスプリッタでＰ波、およびＳ波に分離され、２つのフォトダイオードによりバランス検出される。検出された信号はテラヘルツ電磁波の電場強度に比例しているので、テラヘルツ電磁波の振幅を検出することができる。光伝導アンテナによる検出と同様に、フェムト秒レーザーに時間遅延を与えることでテラヘルツ電磁波の時間波形を得ることができる。
【００６０】
本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００で得られた時間（ｐｓ）と電界（ａ．ｕ．：任意定数：任意単位）との関連図を図２に示す。
【００６１】
図２は、試料を通過して検出器（光導伝スイッチテラヘルツ電磁波受信機）に入った光信号を示すものである。つまり、時間（ｐｓ）に対する入射光強度の変化を示すものである。
【００６２】
ついで、本発明の一実施例を示す磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００で得られた周波数（ＴＨｚ）と強度（対数）（ａ．ｕ．：任意定数：任意単位）との関連図を図３に示す。
【００６３】
図３は、試料を通過してテラヘルツ電磁波検出器（光導伝スイッチテラヘルツ電磁波受信機）に入った光信号を示すものである。いいかえれば、図３は、図２の時間（ｐｓ）に対する入射光強度の変化に対し、周波数（テラヘルツ電磁波：ＴＨｚ）に対する入射光強度の変化を示すものである。
【００６４】
図４は、本発明の一実施例を示す磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００で得られた水の吸収係数差を示す図で、周波数（ＴＨｚ）と吸収係数差Δαとの関連図である。図４において、曲線４Ａは水の厚さは３００μｍで硬度９０、曲線４Ｂは水の厚さは３００μｍで硬度１５００の場合を示す。
【００６５】
吸収係数差分Δαは、Δα＝α（ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ：処理）  −  α（ｎｏｎ―ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ：非処理）である。いいかえれば、吸収係数差Δαは、処理を施した磁気処理水の吸収係数αから処理を施さない非処理水の吸収係数αを引いた絶対差である。
図４は、図３で得られた２種類の曲線、例えば２種類の水（磁気処理水と非処理水）の周波数（ＴＨｚ）と強度（対数）（ａ．ｕ．：任意定数：任意単位）との関連曲線を差し引いて示しものであり、差し引きスペクトルを示す。これは、微量の金属のイオン濃度が異なる水を反映したスペクトルを示すものである。つまり、２種類の水（磁気処理水と非磁気処理水）の性質の違いを表わすスペクトルを示している。
【００６６】
図５は、本発明の一実施例を示す磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置で得られた水の吸収係数差の硬度依存を示す図で、硬度（°）と吸収係数差Δαとの関連図である。この図５では、横軸の硬度は、微量な金属であるマグネシウム（Ｍｇ）イオンとカルシウム（Ｃａ）イオンのみのイオン硬度を示している。
【００６７】
図５で、白丸は水の厚さ２００μｍ、黒丸は水の厚さ３００μｍの場合である。図５で、曲線５Ａは０．２９ＴＨｚ、曲線５Ｂは０．７３ＴＨｚ、曲線５Ｃは１．０３ＴＨｚの硬度（°）と吸収係数差Δαとの関連図である。
【００６８】
上述のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用した磁気処理水の構造分析の結果、磁気処理によって、０．３テラヘルツ（ＴＨｚ）、０．７テラヘルツ（ＴＨｚ）、および１．０テラヘルツ（ＴＨｚ）付近で水の吸収特性が変化した。
また、磁気処理によって現れるテラヘルツ電磁波の吸収特性の変化は、金属のイオン硬度が高いほど顕著であった。
【００６９】
図６は、本発明の一実施例を示す磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置１００で得られた水の吸収係数差Δαの金属イオン濃度依存を示す図である。図６は、微量な金属イオン濃度（ｐｐｍ）と吸収係数差Δαとの関連図である。この実施例の金属イオンとしては、図５に示したマグネシウム（Ｍｇ）イオンとカルシウム（Ｃａ）イオンに加えて、ナトリウム（Ｎａ）イオン、カリウム（Ｋａ）イオン等がある。
【００７０】
図６で、白丸は水の厚さ２００μｍ、黒丸は水の厚さ３００μｍの場合である。図６で
、曲線６Ａは０．２９ＴＨｚ、曲線６Ｂは０．７３ＴＨｚ、曲線６Ｃは１．０３ＴＨｚの
金属イオン濃度（ｐｐｍ）と吸収係数差Δαとの関連図である。
【００７１】
上述のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用した磁気処理水の構造分析の結果、磁気処理によって、０．３テラヘルツ（ＴＨｚ）、０．７テラヘルツ（ＴＨｚ）、および１．０テラヘルツ（ＴＨｚ）付近で水の吸収特性が変化した。また、磁気処理によって現れる吸収特性の変化は、含有金属イオン濃度が高いほど顕著であった。
【００７２】
なお、水クラスタの分析法を確立するために、通常の水に比べ水クラスタのサイズが小さいといわれている磁気処理水を取り扱っている。また、磁気処理水と比較するために、非処理水、脱イオン水、および蒸留水を用意した。用意した様々の水を、それぞれ厚さ６０μｍ、１３０μｍ、および２１０μｍの場合について、テラヘルツ電磁波時間領域分光システムを用いて測定した。水クラスタの分析法を確立して、磁気処理水など、植物などに影響を及ぼすとされている水の定量的な評価が可能になった。水クラスタのサイズが小さくなるといわれている磁気処理水を主なサンプルとし、様々な水に関して、テラヘルツ電磁波時間領域分光システムを用いて測定を行った。
【００７３】
なお、本発明の上記一実施例では、２種類の試料として、磁気処理水と非磁気処理水を採用した。例えば、薬剤の一成分を構成する２種類の化学構造物、例えば基の一部を構成する金属が構造式で異なる位置に配置されて２種類の化学構造物を、２種類の試料として採用することもできる。
【００７４】
また、本発明の上記一実施例では、２種類の試料を試料分析チャンバーに収容した例を示したが、３種類以上の試料を試料分析チャンバーに収容し、それぞれの試料の構造分析を行なうことも勿論できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置のシステム図。
【図２】本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置で得られた時間（ｐｓ）と電界（ａ．ｕ．）との関連図。
【図３】本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置で得られた周波数（ＴＨｚ）と強度（対数）（ａ．ｕ．）との関連図。
【図４】本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置で得られた水の吸収係数差を示す図で、周波数（ＴＨｚ）と吸収係数差Δαとの関連図。
【図５】本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水の非磁気処理水の構造分析装置で得られた水の吸収係数差の硬度依存を示す図で、硬度（°）と吸収係数差分Δαとの関連図。
【図６】本発明の一実施例を示すテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水の非磁気処理水の構造分析装置で得られた水の吸収係数差の硬度依存を示す図で、金属イオン濃度（ｐｐｍ）と吸収係数差Δαとの関連図。
【符号の説明】
【００７６】
１      フェムト光レーザー
６Ａ    テラヘルツ電磁波エミッター
６Ｂ    テラヘルツ電磁波エミッター
７Ａ    試料水部（試料載置台）
７Ｂ    標準試料水部（標準試料載置台）
８Ａ    テラヘルツ電磁波検出器
８Ｂ    テラヘルツ電磁波検出器
１１    リトロリフレクタ
１４    ステージコントローラ
１５    増幅器
１６    ロック・イン・増幅器、
１７    パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１８    スペクトル
２０    水分析チャンバー
ｄ      分岐レーザー光
ｅ      分岐レーザー光
【図１】
0004817336.tif 000002
【図２】
0004817336.tif 000003
【図３】
0004817336.tif 000004
【図４】
0004817336.tif 000005
【図５】
0004817336.tif 000006
【図６】
0004817336.tif 000007