(57)【要約】  【課題】  約250℃の高温領域まで測定可能な、時間領域反射法による複素誘電率測定に適した測定プローブを提供する。  【解決手段】  同軸ケーブル２１の内部導体２３と外部導体２４の間に、無機誘電体であるSiO2粉末２６を充填する。この同軸ケーブル２１の一方の端部に、測定装置と接続するためのコネクタ２２を設ける。コネクタ２２とは反対側の同軸ケーブル端部に試料を接触させる。従来のプローブでは内部導体と外部導体との間に誘電体としてポリイミドやテフロン等を充填していたため、熱によるプローブの電気的特性の変化や変形等が生じ、高温測定を行うことができなかったが、本発明の複素誘電率測定プローブでは、室温から250℃までの温度域でこのような電気的特性の変化や変形等を生じることなく測定を行うことができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端部をパルス電場送受信装置に接続し、他方の端部を試料に接触させて両者の間でパルス電場を伝播させ、時間領域反射法により複素誘電率の測定を行うためのプローブであって、
a)外部導体と内部導体との間に無機誘電体を充填した、長さが0.3m〜5mである同軸ケーブルと、
b)前記同軸ケーブルの一方の端部に接続された、前記パルス電場送受信装置に接続するためのコネクタと、
を備えることを特徴とする複素誘電率測定プローブ。
【請求項２】
前記無機誘電体がSiO2又はAl2O3から成ることを特徴とする請求項１に記載の複素誘電率測定プローブ。
【請求項３】
前記無機誘電体が粉末状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複素誘電率測定プローブ。
【請求項４】
試料に接触させる側の同軸ケーブル端部の無機誘電体の露出面をシール材でシールし、該シール材を設けたケーブル端部の位置と無機誘電体の位置の内部導体及び外部導体の径を、両位置における特性インピーダンスが等しくなるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複素誘電率測定プローブ。
【請求項５】
前記シール材を設けたケーブル端部の位置と無機誘電体の位置の間に特性インピーダンスの高い領域を設けることを特徴とする請求項４に記載の複素誘電率測定プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複素誘電率の測定、特に時間領域反射法を用いた複素誘電率測定に用いられる測定プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応の研究において、反応収率を向上させるため、又は反応時間を短縮させるために、周波数が300MHz〜30GHz(例えば水の場合は2.45GHz)のマイクロ波を照射することにより試料を加熱することが行われている。ここで、化学反応温度を制御するためには照射するマイクロ波の強度を制御する必要がある。このマイクロ波強度と試料温度の関係を決定するパラメータとして、試料の複素誘電率がある。複素誘電率ε*は、ε*=ε'+jε''(jは虚数単位)で表され、実数成分であるε'は誘電率、虚数成分であるε''は誘電損失係数と呼ばれる。誘電損失係数ε''が大きいほど、マイクロ波が試料に照射された際に失われるエネルギーが大きくなる。それに対応して、マイクロ波のエネルギーを吸収することによる試料の温度上昇が大きくなる。従って、試料の温度制御のためには、予め試料の複素誘電率を測定しておく必要がある。更に、複素誘電率は試料の温度によって変化するため、化学反応のための加熱を行う温度範囲全体に亘って複素誘電率を測定しておく必要がある。
【０００３】
複素誘電率を測定する方法には以下の２つがある。１つの方法は周波数領域反射法(Frequency Domain Reflectometry。以下、「FDR法」とする)と呼ばれるものであり、ベクトルネットワークアナライザにより試料に高周波電場を印加して、測定される反射係数及び位相から複素誘電率を求める。この方法では、印加する高周波電場を周波数掃引することにより、複素誘電率の周波数特性を測定する。もう１つの方法は時間領域反射法(Time Domain Reflectometry、以下、「TDR法」とする)と呼ばれるものであり、試料にパルス状の電場を印加して試料により反射される反射波の波形を測定し、得られた反射波に対してフーリエ変換その他の所定の信号処理を行うことにより、複素誘電率の周波数特性を得る。前者の方法では高周波電場の周波数掃引を行うため測定に時間を要するのに対して、TDR法では短時間で複素誘電率の周波数特性を得ることができる。
【０００４】
TDR法による測定は、例えば図１の概略構成図に示すような測定システムにより行われる。測定装置１１には、測定プローブ１３を介して所定の電気信号を試料に送信すると共に試料により反射された電気信号を受信する送受信部１２が設けられる。測定プローブ１３は同軸ケーブルから成り、その一方の端部に設けたコネクタ１４により送受信部１２に接続される。測定プローブ１３のコネクタ１４とは反対側の端部(試料側端部)は、平面状の開放端となっており、この端部が試料１５と接する。試料１５は容器１６に入れられ、試料側端部に接触する位置に配置される。試料１５は容器１６に設けたヒータにより加熱され、その温度が制御される。測定装置１１はGPIB等のインターフェイスを介してパーソナルコンピュータ(PC)１７に接続され、このPC１７により測定に関する制御が行われる。
【０００５】
測定の際には、測定装置１１は送受信部１２からパルス電場を送信する。このパルス電場は、送受信部１２に接続されたコネクタ１４から測定プローブ１３の同軸ケーブルを伝播して試料側端部に達し、試料１５により反射される。この反射された電場(反射波)は測定プローブ１３の同軸ケーブルを戻って送受信部１２に受信され、測定装置１１により測定される。この反射波をフーリエ変換することにより試料１５の複素誘電率を求める。
【０００６】
非特許文献１及び２に記載されているように、反射波の波形から、試料の複素誘電率は以下のように求められる。測定対象の試料により反射される反射波の波形の信号Rx(t)と、既知の周波数スペクトルεs*(ω)を有する標準試料(例えば、空気)を用いて予め測定された反射波の波形の信号Rs(t)から、測定対象試料の複素誘電率の周波数スペクトルεx*(ω)は以下の式を用いて求めることができる。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで、dはプローブの長さ、γdはプローブの試料側端部から試料内に拡がる電場の距離を含めたプローブの電気的な長さ(電気長)、cは真空中の光速、ωはマイクロ波の角周波数である。また、Vx(ω)及びVs(ω)は、それぞれRx(t)及びRs(t)のフーリエ変換である。式(1)をεx*(ω)について解くことにより、測定対象の試料の複素誘電率の周波数スペクトルを求めることができる。
【０００９】
【非特許文献１】R. H. Cole 他, ザ  ジャーナル  オブ  フィジカル  ケミストリー, (米国), アメリカ化学会, 1980年, 第84巻, 786〜793ページ(R. H. Cole et al., "Evaluation of Dielectric Behavior by Time Domain Spectroscopy. 3. Precision Difference Methods", The Journal of Physical Chemistry, (US), American Chemical Society, 1980, vol. 84, pp. 786-793)
【非特許文献２】S. Mashimo 他, ザ  ジャーナル  オブ  ケミカル  フィジックス, (米国), アメリカン  インスティテュート  オブ  フィジックス, 1989年, 第90巻, 3292〜3294ページ(S. Mashimo et al., "The dielectric relaxation of mixtures of water and primary alcohol", The Journal of chemical physics, (US), American Institute of Physics, 1989, vol. 90, pp. 3292-3294)
【００１０】
従来の測定プローブでは、外側の導体と内側の導体の間にテフロン(登録商標)、ダイフロン、ポリイミド等の誘電体が充填されている。そのため、試料の温度を約60℃よりも高くすると測定プローブの電気的特性が変化してしまい、更には、金属と誘電体との熱膨張率の違いから測定プローブが変形してしまうこともある。そのため、従来の測定プローブでは高温での正確な複素誘電率測定を行うことができなかった。
【００１１】
一方、誘電体として石英ガラスを用いた同軸ケーブル型のプローブで、高温でも使用可能な測定プローブも市販されているが、これはFDR法用のものである。仮にこの測定プローブをTDR法に用いたとしても、長さが数cmでしかないため、反射波がプローブと送受信部との接続部において反射されて再度試料に反射されることによりわずかに生じる多重反射波が短い時間で送受信部に到達する。そのため、時間的な拡がりを有する反射波の波形の一部に該多重反射波が重なってしまい、十分な精度で測定を行うことができない。特に、測定しようとする周波数領域が低くなる程、長い時間領域の反射波形が必要となるため、多重反射波の影響が大きくなる。また、この測定プローブと測定装置の送受信部の間に同軸ケーブルを介挿してパルスの伝播経路を長くしたとしても、測定プローブと同軸ケーブルの間の接続部において反射が生じるため、やはり十分な精度で測定を行うことができない。更に、高温の測定を長時間行うと、接続された同軸ケーブルの温度が上昇して変形する恐れがある。
【００１２】
以上のように、約60℃以上の温度領域においてTDR法を用いて複素誘電率を測定することができる測定プローブは、これまで存在しなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、約250℃という高温領域まで測定可能な、時間領域反射法による複素誘電率測定に適した測定プローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために成された本発明に係る複素誘電率測定プローブは、一方の端部をパルス電場送受信装置に接続し、他方の端部を試料に接触させて両者の間でパルス電場を伝播させ、時間領域反射法により複素誘電率の測定を行うためのプローブであって、
a)外部導体と内部導体との間に無機誘電体を充填した、長さが0.3m〜5mである同軸ケーブルと、
b)前記同軸ケーブルの一方の端部に接続された、前記パルス電場送受信装置に接続するためのコネクタと、
を備えることを特徴とする。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１５】
本発明に係る複素誘電率測定プローブは、外部導体と内部導体との間に無機誘電体を充填した同軸ケーブルを主体とする。パルス電場送受信装置（又は複素誘電率測定装置のパルス電場送受信部）に本発明に係る測定プローブのコネクタを接続し、測定プローブの他方の端部を試料に接触させる。この状態でパルス電場送受信装置（又はパルス電場送受信部）よりパルス電場を測定プローブに発信すると、パルス電場は同軸ケーブルを伝播して試料に達し、試料との界面で反射される。その際、試料の物性に応じて反射波の波形が変化する。反射波は再び同軸ケーブルを伝播してパルス電場送受信装置（又はパルス電場送受信部）に戻り、複素誘電率測定装置においてその波形が解析されて、試料の複素誘電率が算出される。
【００１６】
測定プローブとパルス電場送受信装置（又は複素誘電率測定装置のパルス電場送受信部）との接続部において反射波が反射され、再度試料に反射されることによりわずかに生じる多重反射波の影響を避けるために、測定プローブの長さは所定値以上とする。これにより、多重反射波の信号が短い時間で送受信部に到達して反射波の波形に重なることを防ぎ、十分な測定精度を得ることができる。化学反応温度を制御するために用いられるマイクロ波の周波数領域(300MHz〜30GHz)において、このような多重反射波の信号の影響を受けることなく測定を行うためには、測定プローブの長さは30cm以上とすることが望ましい。一方、測定プローブが長すぎると、同軸ケーブル内での伝播損失により測定精度（S/N比）が低下する。従って、長さは最大でも5mとすることが望ましい。
【００１７】
前記無機誘電体には、プローブを使用する温度範囲内で、温度変化による変形や誘電率の変化がほとんど生じない、又はそれらが実用上無視できる程度に小さいものを用いる。このような無機誘電体として、SiO2やAl2O3を好適に用いることができる。これらの材料を用いると、室温から250℃までの温度範囲において実用上十分な精度で測定を行うことができる。
【００１８】
この無機誘電体には粉末状のものを用いることが望ましい。このように粉末状の無機誘電体を用いると、プローブが可撓性を有するようになるため、誘電率測定装置本体と試料との位置関係を比較的自由に設定することができるようになる。なお、もちろんバルクの無機誘電体を用いても、本発明の効果に変わりはない。
【００１９】
ケーブル内部で誘電体分布の疎密が生じないようにするために、粉末の粒径はできるだけ細かい方が望ましい。粉末の無機誘電体を用いる場合には、無機誘電体がプローブ外に漏れ出したり、逆に測定時に試料が無機誘電体を充填した空間に浸入することを防ぐために、試料側端部の無機誘電体の露出部をシール材でシールする。シール材にはセラミックガラス、該粉末誘電体と同じ材料の固体、その他の無機誘電体の固体等を用いることができる。あるいは、端部の無機誘電体粉末を溶融固化することによりシールしてもよい。
【００２０】
上記のようにシールを行う場合には、シール材を設けたケーブル端部の位置と無機誘電体の位置のケーブルにおいて、それぞれ内部導体及び外部導体の径を適切な値とすることにより、両者の特性インピーダンスを等しくすることが望ましい。この場合、内部導体及び外部導体の径はケーブル端部とそれ以外の位置では異なり、そのため、径が変更される位置に段差が存在する。
【００２１】
更に、シール材を設けたケーブル端部の位置と無機誘電体の位置の間に、特性インピーダンスの高い領域を設けることが望ましい。このような高インピーダンス領域を設けることにより、シール材を設けた領域と無機誘電体を充填した領域の境界において信号の反射が生じないようにすることができる。前記段差を設けるケーブル長手方向の位置を内部導体の段差と外部導体の段差との間でずらすことにより、これら２つの段差の間の領域を高インピーダンス領域とすることができる。この両者のずれの大きさは、外部導体のうち太い方の径の約1/8とすることが望ましい。
【００２２】
本発明の複素誘電率測定プローブでは、内部導体と外部導体との間に無機誘電体を用いているため、従来のテフロン、ダイフロン、ポリイミド等を用いた測定プローブよりも高温で使用することができる。例えばSiO2やAl2O3を用いた場合、室温から250℃までの温度範囲において、熱による電気的特性の変化や変形を問題とすることなく使用することができるため、そのような温度範囲での試料の複素誘電率の測定を行うことができる。
【００２３】
なお、本発明に係る測定プローブはTDR法による測定を好適に行うためのものであるが、FDR法による測定に用いることも可能である。
【実施例】
【００２４】
本発明に係る複素誘電率測定プローブの一実施例を図２に示す。(a)はこのプローブの外観図である。後述のような内部構造を有する同軸ケーブル２１の一方の端部に、測定装置の送受信部に設けられたPC3.5雌形コネクタに接続可能なSMA雄形コネクタ２２が設けられている。SMA雄形コネクタ２２の代わりに、PC3.5雄形コネクタ等、他の高周波用の規格のコネクタを用いることもできる。SMA雄形コネクタ２２の反対側の端部が試料側端部である。同軸ケーブル２１の長さは、本実施例では1.06m(3.5フィート)とした。
【００２５】
図２(b)に、試料側端部付近を拡大した、同軸ケーブル２１の中心軸を含む断面図を示す。内部導体２３と外部導体２４との間の全長に亘って、無機誘電体であるSiO2粉末２６が充填される。SiO2粉末２６が外部に漏れたり、測定時に試料がSiO2粉末２６に浸入したりすることを防ぐため、試料側端部のSiO2粉末２６の部分にはセラミックガラスから成るシール２７が設けられる。内部導体２３はCuから成り、外部導体２４はステンレス鋼(SUS)製の外被２５の内側面に蒸着されたCu膜から成る。
【００２６】
併せて、試料側端部を図２(c)に示すように構成した複素誘電率測定プローブを作製した。このプローブでは、シールを設けた領域３１とSiO2粉末を充填した領域３３(後述の領域３２を除く)の特性インピーダンスが等しくなるように、各領域毎に内部導体２３及び外部導体２４の径を設定した。そのため、内部導体２３及び外部導体２４にはそれぞれ段差２８及び２９が生じる。更に、段差２８及び２９のケーブル長手方向の位置をずらすことにより、その幾何学的形状により形成される高インピーダンス領域３２を領域３１と領域３３の間に設けた。このように高インピーダンス領域３２を設けることにより、シールを設けた領域とSiO2粉末を充填した領域との間で信号の反射が生じることを防ぐことができる。高インピーダンス領域３２のケーブル長手方向の長さは、外部導体２４の領域３３側の径rの約1/8とした。また、高インピーダンス領域３２の内部導体２３−外部導体２４間には誘電体３０が充填される。高インピーダンス領域３２のインピーダンスは、充填される誘電体３０の誘電率により変化するため、充填される誘電体を適宜選択することによりこの領域のインピーダンスを設定することができる。なお、この誘電体３０の材料にはSiO2又はシール２７の材料を用いてもよい。
【００２７】
本実施例の測定プローブ２０を図１に示すように測定装置１１に取り付け、測定システムを構成する。この測定システムでは、測定装置１１の送受信部１２に設けたPC3.5雌形コネクタに、測定プローブ２０のSMA雄形コネクタ２２が接続される。測定の際には、測定装置１１の送受信部１２からパルス電場が送信され、このパルス電場がPC3.5雌形コネクタ及びSMA雄形コネクタ２２を介して測定プローブ２０に導入される。パルス電場は同軸ケーブル２１を伝播して試料１５に達し、同軸ケーブルの端面と試料１５との界面で反射される。この反射波は同軸ケーブル２１を再び伝播して戻り、送受信部１２により受信される。こうして受信された反射波の波形から、上記(1)式を用いて試料１５の複素誘電率を求める。
【００２８】
以下に、測定結果の一例として、1,5-pentanediolを測定した結果を示す。測定は、電圧200mV、立ち上がり時間35ピコ秒のパルス電場を用いて、室温(21℃)から231℃の温度範囲において行った。また、上記同様の条件で空気に対する測定を行った結果を標準試料のデータとして用いた。
【００２９】
図３〜図５に測定結果を示す。図３は、各測定温度における、測定対象試料の信号から標準試料の信号を差し引いた信号を示すグラフである。このグラフの横軸は、パルス電場が測定装置１１より送信されてから、試料により反射され、該反射波が測定装置１１に受信されるまでの時間を示す。図中に示した温度は、括弧のないものが測定対象試料の温度であり、括弧付きのものが標準試料の測定温度である。室温では緩和時間が長いため、時間経過に伴う値の減少は緩やかであるが、温度が上昇するに従って緩和時間が短くなり、時間経過に伴う値の減少が速くなる。図には示していないが、150℃以上の温度では、測定した温度のいずれにおいても、ほぼ同じ波形を示した。
【００３０】
図４に、図３の測定結果から上記式(1)〜(3)を用いて誘電率及び誘電損失係数の周波数スペクトルε'(f)及びε''(f)を求めた結果を示す。ここでfは周波数(f=ω/2π)である。また、図４の横軸は周波数fの対数である。このうち、実線で結んだデータが誘電損失係数ε''(f)である。実験目的である試料に応じて、それに対応する加熱周波数(例えば、水溶液の場合2.45GHz)における誘電損失係数ε''(f)の温度変化をこのようにして求めておけば、温度に応じてマイクロ波の強度を制御することにより、その試料の化学反応の温度制御を正確に行うことができる。
【００３１】
熱による測定プローブの電気的特性の変化や変形の影響を調べるため、室温で空気により反射される信号を測定し、次にプローブを一旦200℃まで加熱した後に室温に戻して再び空気により反射される信号を測定した。この２つの測定により得られた信号の差を図５に示す。パルスの立ち上がりの位置に見られるわずかなピークを除いて、両信号の間の差はほとんど見られない。これは、加熱の前後において、熱による測定プローブの電気的特性の変化や変形がほとんど生じていないことを意味している。
【００３２】
一方、誘電体としてテフロンを用いた従来の測定プローブにより同様の実験を行うと、熱によりケーブルが変形してしまい、測定ができなかった。また、誘電体としてポリイミドを用いた測定プローブでは変形は見られなかったが、熱によりケーブルの先端部分の電気的特性が変化してしてしまい、パルスの立ち上がりの前後で信号が歪むため測定ができなかった。以上のように、本発明により、従来のプローブでは測定することができなかった高温まで複素誘電率の測定を行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】時間領域差分法に用いる測定システムの概略構成図。
【図２】本発明に係る複素誘電率測定プローブの一実施例を示す概略図及び断面図。
【図３】本発明の複素誘電率測定プローブを用いて測定した1,5-pentanediolの反射信号と空気の反射信号の差を示すグラフ。
【図４】図３の測定結果から求められた1,5-pentanediolの誘電率及び誘電損失係数の周波数スペクトルε'(f)及びε''(f)のグラフ。
【図５】本発明の複素誘電率測定プローブを加熱する前と後において室温で測定した空気の反射信号の差を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３４】
１１…測定装置
１２…送受信部
１３、２０…測定プローブ
１４…コネクタ
１５…試料
１６…容器
１７…PC
２１…同軸ケーブル
２２…SMA雄形コネクタ
２３…内部導体
２４…外部導体
２５…外被
２６…SiO2粉末
２７…シール
【図１】
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【図２】
2005069779.tif 000005
【図３】
2005069779.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005069779.tif 000008