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【発明の名称】 赤外線イメージングビデオボロメーター、それに使用されるフレーム部材および赤外線イメージングビデオボロメーターを用いた入射パワー分布測定方法
【発明者】 【氏名】バイロン・ジェイ・ピーターソン
【要約】 【課題】改良された赤外線イメージングビデオボロメータとそれに使用されるフレーム部材を提供することを目的とする。

【解決手段】本発明は、ＩＲＩＢ装置において空間分解能に対応していたマスクを取り除いて、プラズマ放射光に金属薄膜全体をさらしている。その結果、空間分解能を高め、プラズマ放射光のビデオイメージを得ることが可能となった。各ピクセルを熱的に分離するマスクの使用はもはや必要ではなくなった。その理由は、薄膜に対しての熱拡散方程式を解くＦＴＣＳ法を利用して、各ピクセル上の熱量を表すアルゴリズムを考案したからである。薄膜の較正法に関する技術もまた開示されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 プラズマが閉じ込められる真空容器と、前記真空容器に取り付けられ、プラズマからの光反射を避けるために炭素のスプレイで内面が黒化された光シールドチューブと、前記チューブの端面に設けられ、前記真空容器に取り付けられた赤外線真空窓と、前記赤外線真空窓とは反対側の前記チューブの端面に設けられたプレートであって、ピンホール或いはスリットを有していて、プラズマからの光を取り入れるプレートと、前記プレートに平行に設けられ、前記プレートから離隔して前記チューブに取り付けられ、薄膜を有するフレーム部材と、前記赤外線真空窓を介して前記フレーム部材の薄膜を眺める赤外線ビデオカメラと、を有し、前記フレーム部材は、金属薄膜と、熱伝導物質からなる２つのフレームであって、各フレームには窓が設けられていて、前記金属薄膜が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて両側で露出するように保持されているフレームと、を具備することを特徴とする赤外線イメージングボロメーター。
【請求項２】 前記フレーム部材が、前記金属薄膜の両側の圧力を調整すると共に、光をブロックすることができる空洞を更に有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線イメージングボロメーター。
【請求項３】 金属薄膜と、熱伝導物質からなる２つのフレームであって、各フレームには窓が設けられていて、前記金属薄膜が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて両側で露出するように保持されているフレームと、を具備することを特徴とする赤外線イメージングボロメーター用フレーム部材。
【請求項４】 前記フレーム部材が、前記金属薄膜の両側の圧力を調整すると共に、光をブロックすることができる空洞を更に有することを特徴とする請求項３に記載のフレーム部材。
【請求項５】 請求項１の赤外線イメージングビデオボロメーターを用いて前記フレーム部材の薄膜温度分布を測定するステップと、ＦＴＣＳアルゴリズムを用いて前記金属薄膜上の入射パワー分布を求めるステップと、を具備する赤外線イメージングビデオボロメーターを用いた入射パワー分布測定方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線イメージングビデオボロメーター、それに使用されるフレーム部材および赤外線イメージングビデオボロメーターを用いた入射パワー分布測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩＲイメージングボロメーター（ＩＲＩＢ）は金属薄膜の温度変化からプラズマ放射光量を測定する検出器として生み出された[TFR Group(presented by A. L. Pecquet), Journal of Nuclear Materials, 93-94, 377(1980), J. C. Ingraham and G. Tonini, Rev. Sci. Instrum. 61, 2976(1990)]。薄膜の温度変化の測定のためにＩＲカメラを用いる方法は、動作中の薄膜温度、波長、ＳＮ比の関係について述べた論文で最初に提案されている［G. Apruzzese and G. Tonini,Rev. Sci. Instrum. 61, 2976(1990)］。２次元のＩＲＩＢの概念は、当初吸収材の温度上昇を投影するために２次元に分割されたマトリクスの利用が導入された［G. A. Wurden, in Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors, edited by P. E. Stott et al. (Plenum, New York, 1996), pp. 603-606］。そして、金属薄膜中の各ピクセルで構成された２次元アレイへと発展した［G. A. Wurden, B. J. Peterson and S. Sudo, Rev. Sci. Instrum. 68, 766(1997), G. A. Wuerden, U. S. Patent 5,861,625］。この技術は赤外線イメージングボロメーター（ＩＲＩＢ）として知られていて、すでにＣＨＳ装置への設計、組立、実験テストが行われた［G. A. Wurden and B. J. Peterson, Rev. Sci. Insturm. 70, 766(1999)］。ＩＲＩＢについての詳細を以下に示す。
【０００３】U. S. Patent 5,861,625に示されるように、２次元のホールパターンを持つ２枚の同一形状のマスクの間に金属薄膜をサンドイッチ状に挟み、マスク内の穴から薄膜が両面に露出している２次元アレイを図1に示す。アレイの片面は、ピンホールやスリットを通り抜けてきたプラズマ放射光に面している。一方、ＩＲカメラは図2に示すように、黒化された薄膜アレイの裏面に向けられていて、その薄膜アレイは入射したプラズマ放射光からピクセルの温度上昇を生じる。銅マスクは各ピクセルに対してヒートシンクの役割をなし、各ピクセルのサイズ、厚み、熱特性により各ピクセルの感度Ｋと熱拡散時間τが決定される。薄膜の厚みｔf は想定される最高エネルギー光子を停止させるよう決定されるべきである。
【０００４】薄膜の直径は、各ピクセルの熱拡散時間がカメラのフレーム間隔Δｔに合うよう決められるべきである。ピクセルの直径ｄpix とその熱拡散時間との関係は、（１）式によつて与えられ、【０００５】
【数１】

【０００６】κは薄膜の金属特性による熱拡散係数である。
【０００７】もしこの値が大きい場合には、測定時間間隔が十分ではなく、次の測定前に吸収された熱量が基準値までに低下しない問題が生じるが、この値が小さければ熱拡散は急速に起こりすぎる。空間分解能はピンホールとカメラの視野構造によって決定される。各ピクセルは、レーザー出力パワーが既知なある周波数のチョッパーされたＨｅ−Ｎｅレーザー光を黒化された薄膜面へ入射して、τとκの値を測定することによって信号較正される。各ピクセルへの放射光パワーは（２）式で与えられる。
【０００８】
【数２】

【０００９】ここでのＴは、抵抗型金属フイルムボロメーターの場合と同じように、マスクの温度を考慮した金属薄膜の温度である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のような従来のボロメーターにおいては、様々な問題がセグメントに分離されたマトリクス状のマスクから生じる。
【００１１】１番目は、銅マスク上の凹部分である隣接するピクセル間の熱交換によって、熱がクロストークのような本来信号のないピクセルにマスクを越えて漏れ出すことである。
【００１２】２番目は、マスク上のピクセルの端の一部分がマスクの縁の部分の影となることである。３番目の問題は上記の影から発生するが、黒化させるために使用している炭素スプレーを金属薄膜上に吹き付ける際、金属薄膜とその上の銅マスクの表面が同一面でないために、スプレーによるカーボン膜が均一にならないことである。
【００１３】加えて、多数のピクセルがセグメントに分離されているマスクによって固定され、マスクを覆う金属薄膜の一部がマスクの影となって使用できない構造になるので、空間分解能が低下することである。
【００１４】本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、改良された赤外線イメージングビデオボロメーター、それに使用されるフレーム部材および赤外線イメージングビデオボロメーターを用いた入射パワー分布測定方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線イメージングボロメーターは、プラズマが閉じ込められる真空容器と、前記真空容器に取り付けられ、プラズマからの光反射を避けるために炭素のスプレイで内面が黒化された光シールドチューブと、前記チューブの端面に設けられ、前記真空容器に取り付けられた赤外線真空窓と、前記赤外線真空窓とは反対側の前記チューブの端面に設けられたプレートであって、ピンホール或いはスリットを有していて、プラズマからの光を取り入れるプレートと、前記プレートに平行に設けられ、前記プレートから離隔して前記チューブに取り付けられ、薄膜を有するフレーム部材と、前記赤外線真空窓を介して前記フレーム部材の薄膜を眺める赤外線ビデオカメラとを有し、前記フレーム部材は、金属薄膜と、熱伝導物質からなる２つのフレームであって、各フレームには窓が設けられていて、前記金属薄膜が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて両側で露出するように保持されているフレームとを具備することを特徴とする。
【００１６】本発明の赤外線イメージングボロメーター用フレーム部材は、金属薄膜と、熱伝導物質からなる２つのフレームであって、各フレームには窓が設けられていて、前記金属薄膜が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて両側で露出するように保持されているフレームとを具備することを特徴とする。
【００１７】なお、フレーム部材は、前記金属薄膜の両側の圧力を調整すると共に、光をブロックすることができる空洞を有することが好ましい。
【００１８】本発明の赤外線イメージングビデオボロメーターを用いた入射パワー分布測定方法は、上記赤外線イメージングビデオボロメーターを用いて前記フレーム部材の薄膜温度分布を測定するステップと、ＦＴＣＳアルゴリズムを用いて前記金属薄膜上の入射パワー分布を求めるステップとを具備することを特徴とする。
【００１９】ＩＲイメージングビデオボロメーター（ＩＲＶＢ）は、ＩＲＩＢからピクセルを分離するマスクを除去して、図３に示すように大きな金属薄膜を保持するための銅のフレーム部材を使用している。このＩＲＶＢにより検出可能面積が約６０％増え、またこのために空間分解能を約２５％上げることができる。
【００２０】上記で述べたマスク上の凹部分の問題は、銅フレーム部材のエッジ近くでネジによってしっかりと銅フレームと金属膜とを固定し密に接触させることによって解消され、更にインジウム・ガスケットを使用することにより更なる改良が可能である。
【００２１】また、銅マスクにより金属薄膜へ影ができることも防止できる。またこのＩＲＶＢは、実験状況に応じてボロメータピクセルのサイズや数を変えられるので、感度を信号強度に合わせることができるという実験上の柔軟性をも備えている。
【００２２】またもう一つの特徴として、ＩＲＩＢのイメージが分割されたものであるのに対し、ＩＲＶＢではプラズマ放射光の全ビデオ像を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】（１）本発明の構成本発明の赤外線イメージングボロメーターの全体構成は、図２に示された構成と同じである。即ち、真空容器１はプラズマを閉じ込める。真空容器１には光シールドチューブ３が取り付けられ、プラズマからの光反射を避けるために炭素のスプレイで内面が黒化されている。チューブ３の端面には赤外線真空窓５設けられ、真空容器１に取り付けられている。
【００２４】赤外線真空窓５とは反対側のチューブ３の端面にはプレート７が設けられていて、ピンホール或いはスリット９が形成されており、プラズマからの光をチューブ３に取り入れている。また、プレート７に平行にフレーム部材（マスク）１１が設けられ、プレート９から離隔してチューブ３に取り付けられている。このフレーム部材１１は薄膜を有している。
【００２５】赤外線ビデオカメラ１３が、赤外線真空窓５に近接して設けられ、赤外線真空窓５を介してフレーム部材１１の薄膜を眺めることができるようになっている。
【００２６】ＩＲＶＢの金属薄膜２７を含むフレーム部材１１の構成を図３、図４を参照して説明する。
【００２７】ａ．図４に示す丸い銅フレーム２１は、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの２つのフレームからなり、下記のような穴を持つ無酸化銅で作られていている。また、このフレーム２１には金属薄膜２７より小さなサイズを有する四角い窓２９が設けられている。
【００２８】・軽いシールドのフレーム２１を取り付けるためにエッジに沿って４つの穴、即ち組立ボルト用ホール２３を等間隔に配置している。
【００２９】・ボルトを固く締めるためにフレーム２１の上下左右各辺には４つの穴、固定ボルト用ホール２５が開けられている。これによって、金属薄膜２７が固定され、金属薄膜２７とフレーム２１間に十分な熱的接触をもたらされる。
【００３０】・金属薄膜２７の両側で空気圧が異ならないようにするため、空気の通り抜けができるように、図５、図６に示すようなベント・ホール３１が作成されている。その際、ベントホール（穴）３１から直接光が通過せず、どちらの面から見てもベントホール３１を介して他方を見ることのできないよう、その構造は断面から見ると図６に示すようにクランク型となっている。
【００３１】・フレーム２１の中央部分には四角形の大きな窓２９が開けてあり、そのサイズは金属薄膜２７よりわずかに小さいものとなっている。
【００３２】ｂ．金属薄膜２７は厚み１〜４μｍで、材質はアルミニウム、金、その他の金属が使用可能である。
【００３３】ｃ．ステンレス・スチールのボルト、ワッシャー、ナットは、２つの銅フレーム２１の間に金属薄膜２７を挟み、固定するために使用する。
【００３４】ｄ．ＩＲカメラ１３側の金属薄膜２７とフレーム２１は、金属薄膜２７の放射率を高くするために炭素スプレーで黒く塗装し、測定感度を改善している。
【００３５】ｅ．金属薄膜２７とフレーム２１間に使用するインジウム・ガスケットは、オプションとして金属薄膜２７とフレーム２１の熱的接触を改善するために使用する。
【００３６】（２）本発明の作用ａ．ＩＲカメラの測定温度から入射パワーを決定する方法時間の関数における金属薄膜２７上の入射パワー分布は、金属薄膜２７に対する熱拡散方程式を解くためのＦＴＣＳ(Forward Time Center Space)アルゴリズムを使用し、下記の方程式を用いて、ＩＲカメラで測定した時間関数における金属薄膜２７上の温度分布によって求められる。
【００３７】
【数３】

【００３８】各パラメータは下記の通りである。
【００３９】ｘ−金属薄膜２７上の水平方向の位置ｙ−金属薄膜２７上の垂直方向の位置ｔ−時間Ｐrad (x,y,t)−金属薄膜２７に対して入射される放射パワーｔf −金属薄膜２７の厚みｋ−金属薄膜２７の熱伝導性ｌ−ボロメーターピクセルの幅Δｔ−ＩＲカメラ１３の各フレームの時間間隔Ｔ(x,y,t)−金属薄膜２７の温度κ−熱拡散係数ＦＴＣＳアルゴリズムに対する安定解の条件は、【００４０】
【数４】

【００４１】で与えられ、ｌbol の最小値を決定するために使用する。本ボロメーターの各ピクセルを構成するＩＲピクセルのイメージの温度測定は、ノイズを減らし感度を高めるために平均化することが可能である。
【００４２】もし必要であれば、信号レベルにより時間分解能と空間分解能を犠牲にすることで、ＳＮ比を改善するためにピクセルサイズｌbol を最小値以上に大きくすることもできる。このＩＲＶＢ独自の方法は、銅マスクにより空間分解能が固定されているＩＲＩＢより、必要に応じた柔軟な使い方が出来る。
【００４３】ｂ．金属薄膜２７の較正組立行程でｔf がＩＲカメラ１３側のマスク表面を黒化することでκとｋが、非均一となる可能性があるため、信号較正が必要となる。（３）式は（２）式の形式に書き直すことができる。
【００４４】
【数５】

【００４５】従って、較正は各ボロメーターピクセルに対する２つの量を決定することで行われる。この較正は、各ＩＲピクセルに対してκ（ｘ，ｙ）とτ（ｘ，ｙ）を決定し、ボロメーターピクセルを構成するＩＲピクセル上の量を平均化することで最大の効果を発揮する。熱時間τは金属薄膜２７を急速に熱し、熱源が移動した後、各ピクセルの温度遅れ時間を測定することによって測定される。各ＩＲピクセルの感度Ｋは、一定の強さの光源で金属薄膜２７を熱し、熱平衡状態【００４６】
【数６】

【００４７】における温度分布を測定することにより相対的に測定できる。フレーム温度に関する金属薄膜２７上の温度分布は、（６）式によって与えられる完全に一様な金属薄膜２７の温度分布と比較される。
【００４８】
【数７】

【００４９】金属薄膜２７の端は、それぞれｘ＝±ａ／２，ｙ＝±ｂ／２であり、Ｓheatは金属薄膜２７上の一定の熱源からのパワー密度である。Ｓheatは分からないので、この温度分布に対して測定された温度の比が、各ピクセルの相対的較正を行っている薄膜上で、ＩＲカメラ１３の中心ピクセルに対して一般化される。
【００５０】
【数８】

【００５１】Ｈｅ−Ｎｅレーザーからの出力パワーＰlaser が既知の場合、レーザー光のガウス分布は（９）式となる。
【００５２】
【数９】

【００５３】ここで、α，βはそれぞれｘ，ｙ方向のレーザービームの半径を示し、これは薄膜の中心をレーザーで熱した場合の値である。薄膜２７の初期時間をｔ＝０とした場合、薄膜２７の中心から離れた箇所で得られる温度変化Ｔlaser は、【００５４】
【数１０】

【００５５】となり、ここでα，β≪ａ，ｂである。熱平衡状態（ｔ＝∞）に達した薄膜２７での熱的限界値をとり、ＩＲピクセル上で積分し、その面積によって分割すると、ＩＲピクセルの中心温度Ｔcenterが求まる。
【００５６】
【数１１】

【００５７】Ｋcenterについて（１１）式を解くと、絶対較正された、金属薄膜２７に吸収される熱量Ｋ（ｘ，ｙ）が次式のように決定される。
【００５８】
【数１２】

【００５９】（３）本発明が示す結果上記の式を用いて、金属薄膜２７上の入射パワーを与えるＦＴＣＳアルゴリズムの精度を調べるために試験を行なった。
【００６０】まず金属薄膜２７上のレーザー入射パワーは（９）式によって与えられたガウス分布でモデル化される。Ｐlaser ＝２０ｍＷ，α＝β＝４ｍｍのときの結果を図７の実線に示す。このモデルの入射パワー密度は、典型的なＬＨＤプラズマ（１０ｍＷ／ｃｍ2 ）から予想される値である。次に結果として得られた金属薄膜２７の温度分布変化は各要素に対してフーリエ級数の項（ｍ，ｌ）をそれぞれ７０までとしたとき、（１０）式を用いて計算される。
【００６１】本研究では均一な金の薄膜２７を想定して計算を行っている（ａ＝ｂ＝９ｃｍ，ｔf ＝１μｍ，ｋ＝３．１６Ｗ／ｃｍ℃，κ＝１．２７ｃｍ2 ／ｓ）。時間分解能Δｔ＝４ｍｓのときの最初の４０ｍｓの金属薄膜２７の温度分布変化の例を図８に示す。縦軸は常温からの温度変化を示す。この場合の温度レベルは現在のＩＲカメラ１３の精度（０．０２５−０．１℃）よりずっと高い。
【００６２】最後に温度分布変化を用いると、入射パワー分布は（４）式で与えられたｌbol ＝１ｍｍを用いて（３）式を用いたＦＴＣＳアルゴリズムで計算される。結果は図７の破線に示している。この計算により求められた分布と、もとのガウス分布とのピークにおける差は６％以下である。このことはＦＴＣＳアルゴリズムによって熱射パワー分布を正確に再現することができるということを示す。
【００６３】
【発明の効果】ＩＲＩＢと比較した場合、ＩＲＶＢは下記のような利点を持つ。
【００６４】１）マスク上のピクセル用の穴の端部分が薄膜に対して影となることや、マスクが湾曲しているために薄膜とマスクとの接触が不完全であるような、マスクに不随する問題が存在しない。
【００６５】２）空間分解能が約２５％改善される。
【００６６】３）ＦＴＣＳアルゴリズムを使って放射光パワーのビデオイメージが得られる。
【００６７】４）プラズマ放射光の質的リアルタイムビデオイメージが得られる。
【００６８】５）プラズマ実験の各種パラメーターに応じたデータの要望に対して、柔軟性のあるピクセルサイズを選択できる。
【００６９】６）ＳＮ比が２〜５倍改善される。
【出願人】 【識別番号】３９２０３０２０９
【氏名又は名称】核融合科学研究所長
【出願日】 平成１２年１月１４日（２０００．１．１４）
【代理人】 【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外５名）
【公開番号】 特開２００１−１９４２２９（Ｐ２００１−１９４２２９Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−６６３５（Ｐ２０００−６６３５）