(57)【要約】【課題】伝送路内の高周波電力密度の分布を簡易に測定する方法を提供すること。【解決手段】導波管を用いて高周波を伝搬させるシステムにおいて、導波管の内外に移動可能な誘電体板が挿入可能な隙間を設けると共に、導波管に観測用窓と観測用窓を介して導波管外にある誘電体板の温度分布を観測する温度分布測定器を設け、導波管内の高周波電力分布の測定時に誘電体板を隙間を介して導波管内に挿入し、一定時間経過後に誘電体板を導波管外の所定位置に移動させ、誘電体板の温度分布を観測用窓を通して温度分布測定器によって測定する。【選択図】図２
2017166886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管を用いて高周波を伝搬させるシステムにおいて、前記導波管の内外に移動可能な誘電体板が挿入可能な隙間を設けると共に、前記導波管に観測用窓と該観測用窓を介して前記導波管外にある前記誘電体板の温度分布を観測する温度分布測定器を設け、前記導波管内の高周波電力分布の測定時に前記誘電体板を前記隙間を介して前記導波管内に挿入し、一定時間経過後に前記誘電体板を前記導波管外の所定位置に移動させ、前記誘電体板が高周波電力による誘電損失によって発熱されることによって得られる前記誘電体板の温度分布を、前記観測用窓を通して前記温度分布測定器によって測定することを特徴とする高周波電力密度分布測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の測定方法において、前記誘電体板を、前記導波管内から前記導波管外の所定位置に重力で落下させた後停止させることを特徴とする高周波電力密度分布測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の測定方法において、前記誘電体板をモータ駆動によって前記導波管内に挿入し、導波管内に一定時間固定することを特徴とする高周波電力密度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波管を用いた高周波加熱装置において使用される方法であって、詳細には、導波管中を伝搬する高周波の電力密度分布を測定する高周波電力密度分布測定方法に関するものである。
【０００２】
本発明の高周波電力密度分布測定方法は、大型の高周波加熱装置における伝送路の高周波伝搬効率を向上させるために欠かせないものであり、本書において一例として説明する核融合装置だけでなく、例えば高品質セラミック焼結などの一般産業分野においても有用な方法である。
【背景技術】
【０００３】
一般に大型の高周波加熱装置は、高周波（RF）を発振する発振源であるジャイロトロンと、発生した高周波電力を加熱対象部まで伝送する伝送路を構成する導波管を備えている。このような加熱装置においては、従来、導波管中を伝搬する高周波の電力を測定する方法として、(１)特許文献１に示されているような、主伝送路の導波管に設けた隙間に誘電体を挿入し、その誘電体の温度上昇値を温度計で測定する、高周波電力測定装置を用いる方法、(２)非特許文献１に示されているような、主伝送路の高周波の方向を変化させて、ダミーロード内に導かれた高周波を熱に変えて、冷却水の温度上昇値を測定する、高周波電力測定装置を用いる方法などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2006-132960号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Lawrence Ives et al., Design and Operation of a 2-MW CW RF Load for Gyrotrons, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.61, No. 6, June 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高周波加熱装置においては、ジャイロトン等で発生させた高周波電力を、伝送路での電力損失を極力抑えて、如何に効率的に加熱対象部まで伝送するかが、非常に重要な課題である。このためには、伝搬する高周波の電力密度分布を最適化することが重要で、より好ましくは、伝送路の要所要所において、例えば両端部付近において伝送効率が最適となる電力密度分布を持たせることが重要である。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、高周波の主伝送路を変更せず、しかも、高周波加熱装置の運転を妨げることなく、真空を維持したまま、比較的短時間に、伝送路内の高周波電力密度の分布を測定することができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの観点によれば、高周波電力密度分布測定方法は、導波管を用いて高周波を伝搬させるシステムにおいて、前記導波管の内外に移動可能な誘電体板が挿入可能な隙間を設けると共に、前記導波管に観測用窓と該観測用窓を介して前記導波管外にある前記誘電体板の温度分布を観測する温度分布測定器を設け、前記導波管内の高周波電力分布の測定時に前記誘電体板を前記隙間を介して前記導波管内に挿入し、一定時間経過後に前記誘電体板を前記導波管外の所定位置に移動させ、前記誘電体板が高周波電力による誘電損失によって発熱されることによって得られる前記誘電体板の温度分布を、前記観測用窓を通して前記温度分布測定器によって測定するようになっている。
【０００９】
好適には、上述の方法において、誘電体板を、導波管内から導波管外の所定位置への移動は重力において行われ、観測に適した所定位置において停止させられる。
【発明の効果】
【００１０】
従来の方法では、導波管よって伝送される高周波の電力を測定することは可能であっても、導波管の内部の高周波の電力密度分布を測定することは困難であった。本発明の測定方法によれば、導波管の内部の高周波の電力密度分布を、導波管の経路の任意の位置において、その位置における高周波電力密度分布を、高周波の主伝送路を変更せず、しかも、高周波加熱装置の運転を妨げることなく、真空を維持したまま、比較的短時間に、伝送路内の高周波電力密度の分布を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る高周波電力密度分布測定方法を実施するための装置の一例を示す縦断面図。
【図２】本発明に係る高周波電力密度分布測定方法を実施するための装置の他の例を示す縦断面図。
【図３】図２の高周波電力密度分布測定装置において、誘電体板を導波管外に移動した状態を示した図。
【図４】図３に示された高周波電力密度分布測定装置の鳥瞰図。
【図５】導波管内部の高周波の電力密度分布の測定例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１乃至図４を参照しながら、本発明の実施例について詳述する。図１は本発明の方法を適用した、高周波電力分布測定装置の一例を示す縦断面図を示したものである。図１においては、誘電体板３が導波管１における隙間２に挿入されている。高周波電流が流れたとき、誘電体板３が高周波電力による誘電損失によって発熱される。その時の誘電体板の温度分布が、観測用窓４を通して赤外カメラなどの温度分布測定器５により測定されるようになっている。そして、温度分布の時間変化（温度上昇）から、導波管中を伝搬する高周波の電力密度分布が算出される。
【００１３】
赤外カメラ例えば赤外線サーモグラフィー装置を用いると、誘電体ディスク表面の温度分布の時間変化が測定できる。この装置は、ビデオの画面上に温度を色で表示する測定方法に加え、画面上の座標と時刻に対する温度をデータとして出力する機能がある。このデータをパソコンに取り込んでグラフ化すれば、温度分布の時間変化（温度上昇）が得られる。
【００１４】
なお、ディスク表面の初期温度は均一（一様）であるが、高周波が透過するとその電力密度分布にほぼ比例した発熱が起こり、温度分布が生じる。したがって、高周波透過直後の温度分布から初期温度を差し引いたもの（温度上昇）の分布データは、そのまま電力密度分布（の相対値）を表す。
【００１５】
ここで、図１の高周波電力密度分布測定装置の各部の構造と機能について説明する。誘電体板３は導波管１を伝送する高周波電力を透過させ、高周波による誘電損失による発熱を検出ために使用され、その材質が窒化硅素で、厚さが0.98mmほどの鏡面加工板である。
【００１６】
誘電体板３の材料としては、高周波電力の大きさ、周波数に応じて、誘電正接の異なった誘電体を使用した。図１の装置では、110GHz、1MW級、短パルスでの高周波電力密度測定を前提として設計を行った。誘電体損失は、周波数と材料の誘電正接に比例するため、110GHzのような高い周波数になるほど誘電正接が低い材料が高周波電力の透過に適している。しかし、本装置で必要とする材料は高周波電力が低損失で透過して、さらに発熱した誘電体板３の温度変化はできるだけ遅いことが望まれる。したがって、この例では誘電体板３の材料として、誘電正接：1.4×10-4、熱伝導率：59W/mK、比誘電率：d7.9である窒化硅素を使用した。
【００１７】
誘電体板３の厚さは、
t = n・λL / 2  （t：厚さ  n：整数）
λLは誘電体中での波長で真空中の波長をλ0とすると
λL = 1 / √ε・λ0    （ε：誘電体の誘電率）
窒化硅素の誘電率ε=7.9、周波数f=110GHzとして
λL / 2 = 0.48 (mm)
【００１８】
従って、誘電体板３の厚さtは、n=2では0.97mm、n=3では1.45mmの厚さとなる。厚さが異なると誘電体板で反射波が生じるため、製作精度は±0.01mmとした。実施例ではn=2で0.97mm±0.01mmで製作した。
【００１９】
誘電体板支持構造物８は、断熱材料（PEEK材）により誘電板を一点支持する構造を持ち、誘電体板の交換を行っても同一位置に固定可能であり、精度の良い温度計測を実現できる。観測用窓４は、温度分布測定用窓は、赤外カメラ等の透過波長領域に合わせ光学コートを施したゲルマニウム真空窓である。ゲートバルブ６（図２）は、非測定時の長時間運転に高周波電力を測定機構部へ漏れ出させないためのものである。また、スリット付き変換フランジ７には、ゲートバルブのシート面への高周波電力もさらに軽減するためにスリットを付けた変換フランジが設けられ、フランジ自体も水冷却構造にしている。
【００２０】
次に、この装置の動作について説明する。高周波電力密度測定装置は、導波管１間の約2mmの隙間に約1mmの誘電体板３を挿入して高周波電力をその誘電体板３に短時間（0.2秒程度）透過させる。高周波電力を透過した誘電体板は発熱するが、電力密度がより高い部分がより高温になるため、電力密度分布を反映した温度分布になる。高周波を停止させた後、停止タイミングで発生させる電気信号（高周波電力停止信号）をトリガーにして、高速（0.5秒以下）でディスクを移動（自由落下を含む）させ、温度分布観測（計測）用の窓の位置にて停止させる。観測用窓を通して誘電体板の温度分布（の時間変化）を赤外線サーモグラフィー（赤外カメラ）にて測定する。温度分布測定が終了した後は、長時間の高周波電力を伝送するときの漏れ高周波による測定機構部の損傷を防ぐために、金属製の閉止板（真空用ゲートバルブ）を閉とし、漏れ高周波を遮断する。
【００２１】
一方、図２と図３は、本発明の測定方法を実施するための高周波電力分布測定装置の他の例の縦断面図を示したものである。図２は誘電体板３が導波管１における隙間２に挿入された状態の高周波電力密度分布測定装置の縦断面図を示すものである。この状態で、導波管中を伝搬する高周波が誘電体板３を通過するときに、高周波の電力密度分布に対応して誘電体の誘電損失よる発熱によって誘電体板３中の各部の温度が上昇する。図３は図２と同じ構成例であるが、誘電体板３が導波管１における隙間２から導波管の外に移動された状態の高周波電力密度分布測定装置の縦断面図を示すものである。
【００２２】
図２の状態で高周波により温度上昇した誘電体板３は極めて短時間のうちに、導波管の隙間の位置から移動させられて、図３に示すように、導波管の外で停止させる。なお、導波管の隙間は２mm程度のギャップ幅が適切と考えられており、洩れる高周波の量は小さく抑えられる。この時、図３に示されているように、移動の後、停止した誘電体板３の位置の正面に、観測用窓４を設けておくことにより、誘電体板３中の温度分布を容易に測定することができる。観測用窓４のすぐ外に設置した赤外カメラなどの温度分布測定器５を使用し、誘電体板の温度分布が、観測用窓４を通して測定される。
【００２３】
この例では、既に述べたように、短時間に誘電体板３を導波管１の隙間から移動させ、停止させることが不可欠である。こうすることにより、温度分布から精度よく電流密度分布を算出できる。移動方法としては、例えば、次のような方法で行う。導波管の隙間に誘電体板３と誘電体板支持構造物８（1Kg）をモータ駆動にて挿入し、エアシリンダで駆動されるストッパーで固定する。高周波電力を誘電体板に透過させた後、高周波電力停止信号を用いてストッパーを外し、自由落下させ、キャッチャー機構で誘電体板を温度分布測定位置に固定する。
【００２４】
図２と図３で示した例では、既に明らかになったように、図１の例と異なり、導波管１に直接観測用の窓を設ける必要が無いこと、従って、高周波の伝搬に与える影響を小さく抑えることができること、また、観測用の窓が誘電体板３の正面に位置することにより、精度の高い温度測定が、誘電体板３の全範囲において、実施することが可能となる。
【００２５】
なお、これらの測定は真空を保持したまま実施されるので、時間を無駄にすることなく、効率よく実施することが可能である。また、図3に示す状態で、高周波の主伝送路を変更せず、高周波加熱装置の運転を行うことが可能である。さらに、観測用窓４と導波管１の間にスリットつき変換フランジ７を設けることにより、導波管の隙間から洩れた高周波がそれ以上広がっていくのを最小限にするとともに、冷却をすることにより、過熱などの問題が発生しないようにすることができる。
【００２６】
また、図３の状態で、導波管１と観測用窓４との間に設けたゲートバルブ６を閉じることにより、導波管の隙間から洩れる高周波を遮断することが可能となる。ここで、本装置による測定は短時間（0.5秒程度もしくはそれ以下）で行うことができる。
【００２７】
一方、非測定時に導波管を伝送すべき高周波のパルス幅（持続時間）は 長時間（例えば、100‐1000秒）になるため、スリットからの漏れ電力が小さくても時間積分されたエネルギー量 が大きくなり、ゲートバルブを用いない場合は、誘電体や支持構造物が過熱する恐れがある。こうしたことから、ゲートバルブ６を閉じることにより、導波管の隙間２からの洩れ高周波を遮断し、誘電体や支持構造物の過熱を防ぐことが重要である。
【００２８】
既に述べたように、図２及び図３の構成例では、誘電体板３を短時間に移動し、かつ、停止させることになるが、その駆動力の例として、圧空などの動力を用いることができる。また、駆動力として重力を用いることもできる。一例として、誘電体板を重力を使って0.2-0.3m落下させ、停止させたとすると、0.2-0.3秒程度の時間で移動できることになる。この時、誘電体板３と構造的に一体化されている誘電体板支持構造物８とが、一緒に落下し、誘電体支持構造物８の下部を真空チャンバー９の内部に設けられた構造体を用いて停止させる構造をとることが可能である。図4に実際製作された構造の鳥瞰図を参考図として示した。
【００２９】
本発明の方法は、比較的小型の測定装置において実施でき、導波管数体が平行に接近して設置されている場合においても、各々の導波管にそれぞれ設置することも可能である。
導波管内の高周波の電力密度分布は最適分布から大幅にずれる場合が起こり得る。図5の（Ａ）と（Ｂ）に導波管内部の高周波の電力密度分布の例を示した。図５（Ａ）のように最適分布から大幅にずれた状況では、効率良い、高周波の伝送・高周波加熱に支障をきたすことになる。こうした状況を防ぎ、状況を改善するためには、まず、高周波の電力密度分布が最適分布にあるかどうか、ずれているとすればどの程度どのようにずれているか、把握する必要がある。こうした目的を実現するため、本発明の測定装置は有効であり、また不可欠である。
【図１】
2017166886.tif 000003
【図２】
2017166886.tif 000004
【図３】
2017166886.tif 000005
【図４】
2017166886.tif 000006
【図５】
2017166886.tif 000007