赤外線イメージングビデオボロメーター、赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体、及び赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材
【課題】
感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーター、金属薄膜体及びフレーム部材を提供する。
【解決手段】
赤外線イメージングビデオボロメーターの金属薄膜体４０は、第１金属薄膜４１熱絶縁層）と、第１金属薄膜４１上に積層されるとともに互いにギャップＧを介して配置された複数の第２金属薄膜４２（輻射吸収層）とを含むように構成されている。フレーム部材は金属薄膜体４０が熱伝導物質からなる前面フレームと裏面フレームにより挟まれた状態で光シールドチューブに対して取付けされ、各フレームには金属薄膜体４０のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられている。
感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーター、金属薄膜体及びフレーム部材を提供する。
【解決手段】
赤外線イメージングビデオボロメーターの金属薄膜体４０は、第１金属薄膜４１熱絶縁層）と、第１金属薄膜４１上に積層されるとともに互いにギャップＧを介して配置された複数の第２金属薄膜４２（輻射吸収層）とを含むように構成されている。フレーム部材は金属薄膜体４０が熱伝導物質からなる前面フレームと裏面フレームにより挟まれた状態で光シールドチューブに対して取付けされ、各フレームには金属薄膜体４０のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線イメージングビデオボロメーター、赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体、及び赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線イメージングボロメーターは、入射エネルギーのボロメーター計測を目的としており、その測定領域は可視、紫外、極端紫外及び、高エネルギー粒子束を含む広い波長領域が想定されている。例えば、核融合プラズマ実験においては、このような輻射エネルギー束は非常に重要な測定対象である。
【０００３】
赤外線イメージングボロメーター（以下、ＩＲＩＢという）の基本原理は次の通りである。まず、輻射や粒子のエネルギーを金属薄膜で吸収し、その金属薄膜の温度上昇をＩＲ検出器により非接触で計測する。そして、得られた薄膜の温度上昇から入射パワーを計算する。
【０００４】
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（非特許文献１、非特許文献２）。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非特許文献３で最初に提案されている。又、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を利用した２次元のＩＲＩＢの概念は、非特許文献４により開示されている。
【０００５】
そして、非特許文献５，特許文献１によりこの金属薄膜の２次元アレイへの進展がさらになされて、設計、組立、及び実験テストが行われ、ＩＲＩＢとして認知されている（非特許文献６）。
【０００６】
他の多くのボロメータ検出器と同様にＩＲＩＢにも以下のような性能基準がある。
（１）波長一様性、すなわち、入射した輻射パワーに対して、その種類（波長）によらない反応性を持つこと。
【０００７】
（２）感度、すなわち、可能な限り小さな入射パワーに対して良好な感度を持つこと。
（３）早い時間応答性を持つこと。
（４）良好な空間分解能を有すること、すなわち、検出領域の最小化ができること。
【０００８】
（５）検出器間でのクロストークがないこと。
最初に実現された多チャンネルＩＲＩＢ１００については、特許文献１に開示されている。ここでは、図１１（ａ）に示すようにフレーム部材１１０は、２次元アレイ状に複数の孔１０１を開けてホールパターンが設けられた２枚の同一形状の金属マスク１０２間で薄膜１０３を挟み、両金属マスク１０２の孔１０１から前記薄膜１０３の両面をそれぞれ露出させている。そして、図１１（ｂ）に示すように、フレーム部材１１０の片面は、ピンホール１１２又はスリットを介してプラズマに面している。一方、ＩＲカメラ１２０は、表面を黒化されたフレーム部材１１０の裏面を観測し、薄膜１０３表面から入射した放射により生じた各ピクセルの温度上昇を観測する。金属マスク１０２は、各ピクセルに対するヒートシンクの役割を果たし、サイズや厚さ、熱伝導特性により各ピクセルの係数（すなわち、感度）Ｋと熱拡散時間τが決定される。薄膜１０３の厚みｔｆは想定される最高エネルギー光子を吸収できるように決定される。薄膜１０３の直径は、各ピクセルの熱拡散時間τがカメラのフレーム間隔Δｔに合うように決定される。
【０００９】
ピクセルの直径ｄpix とのその熱拡散時間τとの関係は（１）式によって与えられる。
【００１０】
【数１】
（１）式中、κは薄膜の金属特性による熱拡散係数である。
【００１１】
なお、仮に、熱拡散時間τの値が大きすぎる場合は、測定時間間隔が十分ではなく、次回の測定前に前回吸収された熱量が基準値までに低下しない問題が生ずるが、反対に熱拡散時間τの値が小さすぎれば熱拡散は急速に起こりすぎることになる。
【００１２】
又、ＩＲＩＢの空間分解能はピンホールとカメラの幾何学的配置によって決定される。
各ピクセルは、出力パワーが既知で、ある周波数でチョッパーされたＨｅ−Ｎｅレーザ光を黒化された薄膜面へ入射し、熱拡散時間τと熱拡散係数κの値を得ることで信号較正ができる。各ピクセルへの放射光のパワーは（２）式で与えられる。
【００１３】
【数２】
（２）式中、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。Ｋは、Ｋ＝τ／Ｃであり、Ｃは金属薄膜の熱容量である。
【００１４】
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。第一の問題は、金属マスクに凹みがあるとピクセル端部で金属マスクと金属薄膜の接触が十分でなく、マスクがヒートシンクの役割を果たさずに、隣接するピクセル間で熱がクロストークのように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。第二の問題は、マスクが厚みを持つため、ピクセル端部の一部分がマスクの縁の部分の影となることである。第三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。
【００１５】
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。
【００１６】
次に、非特許文献７、及び非特許文献８に開示された赤外線イメージングビデオボロメーター（以下、ＩＲＶＢという）が提案されている。この内容は、特許文献２により既に特許となっている。ＩＲＶＢは、ＩＲＩＢからピクセルを分離するマスクを取り除き、図１２に示すように大きな金属薄膜２０２を保持するための銅のフレーム２００を使用するように改良が加えられたものである。特許文献２のＩＲＶＢでは、従来のＩＲＩＢよりも検出可能面積が約６０％増え、空間分解能を約２５％上げることができた。上記で述べたマスク上の凹部分の問題は、銅のフレーム２００とフレーム２００のエッジ近くでネジ（図示しない）によって確固に固定し、銅フレームを金属薄膜と密に接触させることによって解消され、インジウム・ガスケットの使用によりさらなる改良が可能である。
【００１７】
又、ＩＲＩＢにおける銅マスクによる金属薄膜への影も防ぐことができる。さらに、ＩＲＶＢは感度を信号強度に適応させるために、実験の状況によりボロメーターピクセルのサイズや数を変えられるという実験上の柔軟性を備えている。加えて、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フルビデオイメージが得られるという特徴がある。
【非特許文献１】TFR Group(presented by A. L. Pecquet), Journal of Nuclear Materials, 93-94, 377(1980)
【非特許文献２】J. C. Ingraham and G. Miller, Rev. Sci. Instrum. 54, 673(1983)
【非特許文献３】G. Apruzzese and G. Tonini,Rev. Sci. Instrum. 61, 2976(1990)
【非特許文献４】G. A. Wurden,in Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors, edited by P.E. Stott et al,(Plenum,New York,1996),pp,603-606.
【非特許文献５】G. A. Wurden,B.J.Peterson and Sudo, Rev.Sci.Instrum.68,766(1997).
【非特許文献６】G. A. Wurden, and B.J.Peterson, Rev.Sci.Instrum.70,255(1999).
【非特許文献７】B.J.Peterson, Rev.Sci.Instrum.71,3696(2000).
【非特許文献８】B.J.Peterson, Rev.Sci.Instrum.74,2040(2003).
【特許文献１】米国特許第5861625号明細書
【特許文献２】特許第3390913号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、従来のＩＲＶＢでは、下記の問題があることが分かった。第一には、入射パワーが局所的なボロメーターピクセルの温度のみの単純な関数になっておらず、温度拡散を考慮する必要がある。この温度拡散は隣接するピクセルとの温度差から計算される。しかし、入射パワーによる温度上昇に比べ、隣接するピクセルとの温度差は小さい。このため、入射パワーの計算の際に近い値どうしの引き算が含まれ誤差の要因となる。この結果、感度が低下する問題がある。
【００１９】
第二には、金属薄膜が銅フレームに固定されているため、入射パワーの多くがフレームを通して損失してしまう。このため、入射パワーのうち薄膜の温度上昇に費やされない部分が多くなる。又、高エネルギーの光子を吸収するために金属薄膜は十分な厚さ（１０ミクロン程度）が必要であるが、薄膜を厚くすると熱伝導による損失が増大する。これによってもＩＲＶＢの感度が低下する。
【００２０】
本発明の第１の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターを提供することにある。又、本発明の第２の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することにある。又、本発明の第３の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、プラズマが閉じ込められる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黒化された光シールドチューブと、前記光シールド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光シールドチューブの端面に設けられるとともに、プラズマからの光を取り入れるピンホール或いはスリットを有しているプレートと、前記プレートに平行になるように前記光シールドチューブ内に取り付けられた金属薄膜体と、前記赤外線真空窓を介して前記薄膜体を眺める赤外線ビデオカメラと、を有する赤外線イメージングボロメータにおいて、前記金属薄膜体は、熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーターを要旨とするものである。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、前記金属薄膜体が、熱伝導物質からなる２つのフレームにより挟まれた状態で前記光シールドチューブに対して取付けされ、前記各フレームには前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うようにプラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されていて、前記金属薄膜体と前記２つのフレームによりフレーム部材が構成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項５の発明は、熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体を要旨とするものである。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項４において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項５において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の金属薄膜体と、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、前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されているフレームと、を備えたことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材を要旨とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１乃至請求項４の発明によれば、光子を吸収することにより生じた輻射吸収層での熱の移動は、熱絶縁層により抑制されるため、ＩＲＶＢの感度を向上することができる。
【００２８】
請求項５乃至請求項７の発明は、ＩＲＶＢの感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
請求項８の発明は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を具体化した赤外線イメージングビデオボロメーターを図１〜１０を参照して説明する。
図１に示すように赤外線イメージングビデオボロメーター（ＩＲＶＢ）１０は、プラズマを閉じ込める真空容器１に設けられている。真空容器１には赤外線イメージングビデオボロメーター１０の光シールドチューブ３の端部が取り付けられている。光シールドチューブ３の内面は、プラズマからの光反射を避けるために炭素のスプレイにより黒化されている。前記光シールドチューブ３において、前記端部端面には赤外線真空窓５が設けられている。赤外線真空窓５とは反対側の光シールドチューブ３の端面にはプレート７が設けられている。プレート７には、ピンホール或いはスリット９が形成されており、ピンホール或いはスリット９を介してプラズマからの光を光シールドチューブ３に取り入れている。
【００３０】
又、光シールドチューブ３内には、前記プレート７に平行となるようにフレーム部材（マスク）１１が設けられ、プレート７から離隔して配置されている。このフレーム部材１１には図２に示すように金属薄膜体４０が設けられている。又、真空容器１の外部には前記赤外線真空窓５に近接して赤外線ビデオカメラ１３が設けられ、同赤外線ビデオカメラ１３により赤外線真空窓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。
【００３１】
次に、ＩＲＶＢの金属薄膜体４０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。
図３に示すようにフレーム２１は、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの２つの円形をなすフレームからなり、下記のような孔を持つ熱伝導物質としての無酸化銅で作られていている。フレーム２１の材質は、無酸化銅に限定されるものではなく、熱伝導性に優れた材質であるならば限定されるものではない。又、このフレーム２１の中央部分には金属薄膜体４０よりわずかに小さなサイズを有する四角い窓２９が設けられている。なお、窓２９の形状は、四角に限定されるものではなく、金属薄膜体４０の外形形状に応じた形状であればよく、金属薄膜体４０が例えば円形状であれば、わずかに小さなサイズて円形等の他の形状であってもよい。
【００３２】
又、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂには、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つの孔、即ち組立ボルト用ホール２３が等間隔に配置されている。
【００３３】
さらに、ボルトを固く締めるために前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの上下左右各辺には４つの固定ボルト用ホール２５が開けられている。この結果、後述する金属薄膜体４０が固定され、金属薄膜体４０とフレーム２１間に十分な熱的接触がもたらされる。
【００３４】
さらに前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂには、空気の通り抜けができるように、図３、図４に示すようなベントホール３１が作成され、ベントホール３１により金属薄膜体４０の両側で空気圧が異ならないようにされている。
【００３５】
ベントホール３１は、ベントホール（孔）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４に示すようにクランク型となっている。
【００３６】
前記組立ボルト用ホール２３、固定ボルト用ホール２５には、ステンレス・スチールからなる図示しないボルトがステンレス・スチールからなるワッシャーを介して貫通して取着され、図示しないナットと協働して、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの間に金属薄膜体４０を挟み込みして固定する。
【００３７】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように金属薄膜体４０は熱絶縁層を構成する第１金属薄膜４１と、第１金属薄膜４１上に積層された輻射吸収層を構成する複数の第２金属薄膜４２とから構成されている。第１金属薄膜４１は、窓２９に張られるため高抗張力のものが好ましく、又、互いにギャップＧを介して隣接する第２金属薄膜４２間の熱の移動を抑制するため、第２金属薄膜４２よりも低熱伝導の材質が好ましい。このため、第１金属薄膜４１としては、例えば、ステンレス鋼や、或いはチタン等のように高抗張力性を有し、低熱伝導性を有するものから選択される。
【００３８】
又、第１金属薄膜４１の膜厚は、１〜１０μｍが好ましいが、この範囲に限定されるものてはない。
複数の第２金属薄膜４２は、図２、及び図５（ａ）に示すようにマトリクス状に配置され、互いにギャップを介して離間している。第２金属薄膜４２は、プラズマからの光子を吸収することにより、赤外線を発生する金属であればよく、この材質としては光子減衰係数（ａ photon attenuation coefficient）が高い、例えばＡｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｐｂ（鉛）を挙げることができる。
【００３９】
又、第２金属薄膜４２は、膜厚が異なると吸収可能な光子のエネルギー領域が異なるため、測定したいエネルギー領域をもった測定対象（光子）に応じた膜厚を用意することにより、入射する輻射や粒子エネルギーの分別が可能である。
【００４０】
又、第２金属薄膜４２のブロックの形状は、平面視した時に正方形でもよく、或いは長方形でもよく、又、さらに他の形状であってもよく、形状が限定されるものではない。第２金属薄膜４２は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように互いにギャップＧを介して離間して配置されている。第２金属薄膜４２のギャップＧは、フォトレジストにより後に第２金属薄膜４２となる領域をマスクした状態で、マスクされなかった領域をドライエッチングで除去することにより形成することができる。
【００４１】
なお、図５（ａ）、（ｂ）で示す第２金属薄膜４２を積層する第１金属薄膜４１では、第１金属薄膜４１全体が同じ膜厚で形成されているが、この構成に限定されるものではない。図６に示すように、第２金属薄膜４２を積層する第１金属薄膜４１の一部の領域を除去してもよい。たとえば、図６に示す例では、第１金属薄膜４１と第２金属薄膜４２とのオーバーラッピング領域ＯＶを残して、第２金属薄膜４２よりも小さいサイズの露出窓４１ａが形成されて第２金属薄膜４２のプラズマ側の面が露出するようにされている。
【００４２】
なお、第２金属薄膜４２のプラズマ側の面を露出する場合には、例えばイオンビームエッチングにより第１金属薄膜４１を削って露出窓４１ａを形成する。
赤外線ビデオカメラ１３側の金属薄膜体４０とフレーム２１は、金属薄膜体４０の放射率を高くするために炭素スプレーで黒く塗装され、感度が改善されている。なお、金属薄膜体４０とフレーム２１間には図示しないインジウム・ガスケットが介在して配置され、金属薄膜体４０とフレーム２１の熱的接触を改善するために使用されている。
【００４３】
（作用）
次に、上記のように構成された第２金属薄膜４２での温度分布について説明する。
第２金属薄膜４２（以下では、吸収ブロックともいう）の温度分布は、有限要素法により入射パワーの関数として計算することができる。
【００４４】
この場合、薄膜要素の要素サイズＬは、吸収ブロック自体の大きさに対して十分に小さく選び、又、時間ステップΔｔは、吸収ブロックの応答時間より十分小さくする。このように設定されることにより、有限要素法によって個々の薄膜要素の温度上昇は以下の式（３）で与えられる。
【００４５】
【数３】
上記のようにして個々の薄膜要素の温度上昇について得られることから、ここで、放射フラックスが入射し始める時刻（ｔ＝０）での温度を３００Ｋ（すなわち、Ｔx,y＝３００Ｋ）と仮定し、ｔ＝1000ms後における吸収ブロックの温度分布の計算結果を図７に示す。
【００４６】
図７において、ｚ軸は温度（単位Ｋ）、ｘ，ｙ軸は要素番号であり、各薄膜要素のサイズは0.525ｍｍとしている。又、この場合、金属薄膜体４０の構成は、第１金属薄膜４１を膜厚１μmのステンレス鋼とし、露出窓４１ａのサイズを4.2 mm×4.2mmとし、吸収ブロック（第２金属薄膜４２）のサイズを2.5μm×6.3mm×6.3mmとし、ギャップＧを1.05mmとした。又、Ｐrad（入射する輻射パワー）を３ｍＷ／cm2とした。
【００４７】
図７に示すように、吸収ブロックの温度上昇に比べて、吸収ブロック中における領域での温度変化が小さいことが分かる。従って、吸収ブロックは熱的に絶縁されており、一様な温度分布を持つと考えることができる。
【００４８】
なお、ボロメータでの較正を行うためには、ＩＲＩＢと同様に、入射パワーが既知で任意の広がりを持つ輻射の下で、吸収ブロックの温度の時間反応を計測すればよい。
なお、式（２）を用いて、入射パワーを近似することができる。係数Ｋと熱拡散時間τは数学的な手法により、フィッティングから求めることができる。このフィッティングについて説明する。
【００４９】
図１０に示すように、金属薄膜に対して既知のパワーPlaserでレーザをチョッパーで照射して、同レーザの照射により同金属薄膜の温度変化を測定する。レーザ照射によって、金属薄膜の温度が上昇して飽和時の温度を最大温度Ｔmaxとし、一方、レーザ照射を停止した状態で金属薄膜の温度が下降した際、飽和時の温度を最低温度Ｔrefとする。なお、Ｔrefは金属薄膜の周囲の雰囲気温度である。
【００５０】
このとき、
Ｋ＝Ｔmax／Plaser
であり、又、
Ｔ−Ｔref＝Ｔmax（１−ｅ-t/τ）
であることから、上記の２つの式で、係数Ｋと熱拡散時間τとを求めることができる。
【００５１】
次に、本実施形態の変換効率を図８を参照して説明する。
図８には、入射した輻射エネルギーの分配が示されており、実線は入射エネルギーを示し、点線は赤外線放射を示し、一点鎖線は熱伝導損失を示している。図８中、ｙ軸はエネルギー比率（％）を示し、ｘ軸は要素番号を示している。実施形態における薄膜要素のサイズは0.525mmである。
【００５２】
金属薄膜体４０の構成は、図６に示す構成である。具体的には第１金属薄膜４１を膜厚１μmのステンレス鋼とし、露出窓４１ａのサイズを4.2 mm×4.2mmとし、吸収ブロック（第２金属薄膜４２）のサイズを2.5μm×6.3mm×6.3mmとし、ギャップＧを1.05mmとした。又、Ｐrad（入射する輻射パワー）を３ｍＷ／cm2とした。
【００５３】
図９は、比較例における入射した輻射エネルギーの分配が示されており、実線は入射エネルギーを示し、点線は赤外線放射を示し、一点鎖線は熱伝導損失を示している。図９中、ｙ軸はエネルギー比率（％）を示し、ｘ軸は要素番号を示している。比較例における薄膜要素のサイズは0.525mmである。
【００５４】
又、図９での金属薄膜体は、従来（すなわち、特許文献２）の一層の金属薄膜で構成したものである。具体的には、金属薄膜を膜厚2.5μmのＡｕ（金）で構成したものである。又、Ｐrad（入射する輻射パワー）を３ｍＷ／cm2とした。
【００５５】
本実施形態の場合は、図８に示すように入射パワーの35％〜45％が赤外線放射に変換され、65％〜55％が熱伝導により失われている。
一方、これまでのＩＲＶＢでは、図９に示すようにわずかに１%〜1.5％が赤外線放射に変換され、98.5%〜99%が熱伝導により失われている。
【００５６】
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
（１） 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター１０では、金属薄膜体４０は、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）と、第１金属薄膜４１上に積層されるとともに互いにギャップＧを介して配置された複数の第２金属薄膜４２（輻射吸収層）とを含むように構成されている。
【００５７】
このように複数の第２金属薄膜４２が互いに離間して配置されるとともに、第１金属薄膜４１が第２金属薄膜４２よりも熱伝導が小さいため、ブロック間の熱伝導を特許文献２の技術よりも１／２０〜１／１００に低減することが可能である。
【００５８】
本実施形態によれば、赤外線として放射されるエネルギーに対して、熱伝導による損失を非常に小さくすることができ、この結果、ＩＲＶＢの感度を向上することができる。
（２） 本実施形態の図６に示す構成では、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）において、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）が積層された領域の一部が除去されて、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）の一部が露出されている。
【００５９】
この結果、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）の入射した輻射パワーによる温度上昇の時間スケールは、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）の熱容量の影響が少なくなり、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）の熱容量に依存することになる。
【００６０】
一方、図５（ｂ）で示す構成では、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）を積層している第１金属薄膜４１（熱絶縁層）の熱容量との影響を受けて、入射した輻射パワーによる温度上昇の時間スケールは、第１金属薄膜４１と第２金属薄膜４２の熱容量の合計に依存することになる。
【００６１】
従って、図６に示す構成の方が、入射した輻射パワーが同じの場合、同輻射パワーによる温度上昇を早くすることができ、早い時間応答性を持つことができる。
（３） 本実施形態のフレーム部材１１では、前記金属薄膜体４０が、熱伝導物質からなる前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂにより挟まれた状態で光シールドチューブ３に対して取付けされ、各フレームには金属薄膜体４０のサイズよりわずかに小さな１つの窓２９が設けられている。そして、金属薄膜体４０が窓２９を覆うようにプラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されていて、金属薄膜体４０と２つの前記フレームによりフレーム部材１１が構成されている。このように構成されていることにより、上記（１）又は（２）の効果を有するＩＲＶＢを提供できる。
【００６２】
（４） 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター用の金属薄膜体４０では、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）と、第１金属薄膜４１上に積層されるとともに互いにギャップＧを介して配置された複数の第２金属薄膜４２（輻射吸収層）とを含むように構成されている。
【００６３】
この結果、ＩＲＶＢの感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
（５） 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター用の金属薄膜体４０では、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）において、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）が積層された領域が除去されて、第２金属薄膜４２の一部が露出されているようにした。
【００６４】
この結果、輻射パワーによる温度上昇を早くすることができ、早い時間応答性を持つ赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
（６） 本実施形態のフレーム部材１１は、前記金属薄膜体４０と、熱伝導物質からなる前面フレーム２１ａ，裏面フレーム２１ｂを備えている。そして、各フレームには、前記金属薄膜体４０のサイズよりわずかに小さな１つの窓２９が設けられていて、前記金属薄膜体４０が前記窓２９を覆うように前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されているようにした。
【００６５】
この結果、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することができる。
（７） 従来のＩＲＩＢと比較した場合、本実施形態の二層からなる金属薄膜体は、下記１）〜３）の長所を有する。
【００６６】
１）感度が５〜２０倍高くなる。
２）ビクセルの一部が影になる、不十分な接触によりマスクがヒートシンクとして機能しない等の、マスク使用による不具合がなくなる。
【００６７】
３） 空間分解能が最大２５％高くなる。
（８） 又、従来のＩＲＩＢ及びＩＲＶＢと比較した場合、本実施形態の二層からなる金属薄膜体は、下記１）及び２）の長所を有する。
【００６８】
１） ５０〜１０００msの時間スケールにおいて、感度が３〜１０倍高くなる。
２） 較正手続が簡便にできる。
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
【００６９】
○ 前記実施形態の構成中、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）において、第２金属薄膜４２を積層する領域の膜厚を第１金属薄膜４１間にギャップＧが設けられた領域の膜厚よりも薄く形成してもよい。このように構成しても、赤外線として放射されるエネルギーに対して、熱伝導による損失を非常に小さくすることができ、この結果、ＩＲＶＢの感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明を具体化した一実施形態のＩＲＶＢの全体構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態の赤外線イメージングボロメータのフレーム部材の斜視図。
【図３】同じく一実施形態の赤外線イメージングボロメータのフレームの分解した図。
【図４】同じく一実施形態の赤外線イメージングボロメータのフレームのベントホールの切り欠き断面図。
【図５】（ａ）は同じく金属薄膜体の斜視図、（ｂ）は断面図。
【図６】他の実施形態の金属薄膜体の断面図。
【図７】吸収ブロックの温度分布を示す図。
【図８】本実施形態における入射した輻射エネルギーの分配を示す図。
【図９】比較例における入射した輻射エネルギーの分配を示す図。
【図１０】レーザの照射と、金属薄膜の温度変化を示すグラフ。
【図１１】（ａ）は従来のフレーム部材の分解斜視図、（ｂ）は従来のＩＲＩＢ１００の概略斜視図。
【図１２】他の従来のフレーム部材の正面図。
【符号の説明】
【００７１】
１…真空容器、３…光シールドチューブ、５…赤外線真空窓、
７…プレート、９…ピンホール或いはスリット、
１０…赤外線イメージングビデオボロメーター、１１…フレーム部材、
１３…赤外線ビデオカメラ、２１…フレーム、２１ａ…前面フレーム、
２１ｂ…裏面フレーム２１ｂ、２９…窓、４０…金属薄膜体、
４１…第１金属薄膜（熱絶縁層）、４２…第２金属薄膜（輻射吸収層）、
Ｇ…ギャップ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線イメージングビデオボロメーター、赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体、及び赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線イメージングボロメーターは、入射エネルギーのボロメーター計測を目的としており、その測定領域は可視、紫外、極端紫外及び、高エネルギー粒子束を含む広い波長領域が想定されている。例えば、核融合プラズマ実験においては、このような輻射エネルギー束は非常に重要な測定対象である。
【０００３】
赤外線イメージングボロメーター（以下、ＩＲＩＢという）の基本原理は次の通りである。まず、輻射や粒子のエネルギーを金属薄膜で吸収し、その金属薄膜の温度上昇をＩＲ検出器により非接触で計測する。そして、得られた薄膜の温度上昇から入射パワーを計算する。
【０００４】
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（非特許文献１、非特許文献２）。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非特許文献３で最初に提案されている。又、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を利用した２次元のＩＲＩＢの概念は、非特許文献４により開示されている。
【０００５】
そして、非特許文献５，特許文献１によりこの金属薄膜の２次元アレイへの進展がさらになされて、設計、組立、及び実験テストが行われ、ＩＲＩＢとして認知されている（非特許文献６）。
【０００６】
他の多くのボロメータ検出器と同様にＩＲＩＢにも以下のような性能基準がある。
（１）波長一様性、すなわち、入射した輻射パワーに対して、その種類（波長）によらない反応性を持つこと。
【０００７】
（２）感度、すなわち、可能な限り小さな入射パワーに対して良好な感度を持つこと。
（３）早い時間応答性を持つこと。
（４）良好な空間分解能を有すること、すなわち、検出領域の最小化ができること。
【０００８】
（５）検出器間でのクロストークがないこと。
最初に実現された多チャンネルＩＲＩＢ１００については、特許文献１に開示されている。ここでは、図１１（ａ）に示すようにフレーム部材１１０は、２次元アレイ状に複数の孔１０１を開けてホールパターンが設けられた２枚の同一形状の金属マスク１０２間で薄膜１０３を挟み、両金属マスク１０２の孔１０１から前記薄膜１０３の両面をそれぞれ露出させている。そして、図１１（ｂ）に示すように、フレーム部材１１０の片面は、ピンホール１１２又はスリットを介してプラズマに面している。一方、ＩＲカメラ１２０は、表面を黒化されたフレーム部材１１０の裏面を観測し、薄膜１０３表面から入射した放射により生じた各ピクセルの温度上昇を観測する。金属マスク１０２は、各ピクセルに対するヒートシンクの役割を果たし、サイズや厚さ、熱伝導特性により各ピクセルの係数（すなわち、感度）Ｋと熱拡散時間τが決定される。薄膜１０３の厚みｔｆは想定される最高エネルギー光子を吸収できるように決定される。薄膜１０３の直径は、各ピクセルの熱拡散時間τがカメラのフレーム間隔Δｔに合うように決定される。
【０００９】
ピクセルの直径ｄpix とのその熱拡散時間τとの関係は（１）式によって与えられる。
【００１０】
【数１】
（１）式中、κは薄膜の金属特性による熱拡散係数である。
【００１１】
なお、仮に、熱拡散時間τの値が大きすぎる場合は、測定時間間隔が十分ではなく、次回の測定前に前回吸収された熱量が基準値までに低下しない問題が生ずるが、反対に熱拡散時間τの値が小さすぎれば熱拡散は急速に起こりすぎることになる。
【００１２】
又、ＩＲＩＢの空間分解能はピンホールとカメラの幾何学的配置によって決定される。
各ピクセルは、出力パワーが既知で、ある周波数でチョッパーされたＨｅ−Ｎｅレーザ光を黒化された薄膜面へ入射し、熱拡散時間τと熱拡散係数κの値を得ることで信号較正ができる。各ピクセルへの放射光のパワーは（２）式で与えられる。
【００１３】
【数２】
（２）式中、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。Ｋは、Ｋ＝τ／Ｃであり、Ｃは金属薄膜の熱容量である。
【００１４】
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。第一の問題は、金属マスクに凹みがあるとピクセル端部で金属マスクと金属薄膜の接触が十分でなく、マスクがヒートシンクの役割を果たさずに、隣接するピクセル間で熱がクロストークのように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。第二の問題は、マスクが厚みを持つため、ピクセル端部の一部分がマスクの縁の部分の影となることである。第三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。
【００１５】
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。
【００１６】
次に、非特許文献７、及び非特許文献８に開示された赤外線イメージングビデオボロメーター（以下、ＩＲＶＢという）が提案されている。この内容は、特許文献２により既に特許となっている。ＩＲＶＢは、ＩＲＩＢからピクセルを分離するマスクを取り除き、図１２に示すように大きな金属薄膜２０２を保持するための銅のフレーム２００を使用するように改良が加えられたものである。特許文献２のＩＲＶＢでは、従来のＩＲＩＢよりも検出可能面積が約６０％増え、空間分解能を約２５％上げることができた。上記で述べたマスク上の凹部分の問題は、銅のフレーム２００とフレーム２００のエッジ近くでネジ（図示しない）によって確固に固定し、銅フレームを金属薄膜と密に接触させることによって解消され、インジウム・ガスケットの使用によりさらなる改良が可能である。
【００１７】
又、ＩＲＩＢにおける銅マスクによる金属薄膜への影も防ぐことができる。さらに、ＩＲＶＢは感度を信号強度に適応させるために、実験の状況によりボロメーターピクセルのサイズや数を変えられるという実験上の柔軟性を備えている。加えて、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フルビデオイメージが得られるという特徴がある。
【非特許文献１】TFR Group(presented by A. L. Pecquet), Journal of Nuclear Materials, 93-94, 377(1980)
【非特許文献２】J. C. Ingraham and G. Miller, Rev. Sci. Instrum. 54, 673(1983)
【非特許文献３】G. Apruzzese and G. Tonini,Rev. Sci. Instrum. 61, 2976(1990)
【非特許文献４】G. A. Wurden,in Diagnostics for Experimental Thermonuclear Fusion Reactors, edited by P.E. Stott et al,(Plenum,New York,1996),pp,603-606.
【非特許文献５】G. A. Wurden,B.J.Peterson and Sudo, Rev.Sci.Instrum.68,766(1997).
【非特許文献６】G. A. Wurden, and B.J.Peterson, Rev.Sci.Instrum.70,255(1999).
【非特許文献７】B.J.Peterson, Rev.Sci.Instrum.71,3696(2000).
【非特許文献８】B.J.Peterson, Rev.Sci.Instrum.74,2040(2003).
【特許文献１】米国特許第5861625号明細書
【特許文献２】特許第3390913号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、従来のＩＲＶＢでは、下記の問題があることが分かった。第一には、入射パワーが局所的なボロメーターピクセルの温度のみの単純な関数になっておらず、温度拡散を考慮する必要がある。この温度拡散は隣接するピクセルとの温度差から計算される。しかし、入射パワーによる温度上昇に比べ、隣接するピクセルとの温度差は小さい。このため、入射パワーの計算の際に近い値どうしの引き算が含まれ誤差の要因となる。この結果、感度が低下する問題がある。
【００１９】
第二には、金属薄膜が銅フレームに固定されているため、入射パワーの多くがフレームを通して損失してしまう。このため、入射パワーのうち薄膜の温度上昇に費やされない部分が多くなる。又、高エネルギーの光子を吸収するために金属薄膜は十分な厚さ（１０ミクロン程度）が必要であるが、薄膜を厚くすると熱伝導による損失が増大する。これによってもＩＲＶＢの感度が低下する。
【００２０】
本発明の第１の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターを提供することにある。又、本発明の第２の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することにある。又、本発明の第３の目的は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、プラズマが閉じ込められる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黒化された光シールドチューブと、前記光シールド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光シールドチューブの端面に設けられるとともに、プラズマからの光を取り入れるピンホール或いはスリットを有しているプレートと、前記プレートに平行になるように前記光シールドチューブ内に取り付けられた金属薄膜体と、前記赤外線真空窓を介して前記薄膜体を眺める赤外線ビデオカメラと、を有する赤外線イメージングボロメータにおいて、前記金属薄膜体は、熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーターを要旨とするものである。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、前記金属薄膜体が、熱伝導物質からなる２つのフレームにより挟まれた状態で前記光シールドチューブに対して取付けされ、前記各フレームには前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うようにプラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されていて、前記金属薄膜体と前記２つのフレームによりフレーム部材が構成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項５の発明は、熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体を要旨とするものである。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項４において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項５において、前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の金属薄膜体と、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、前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されているフレームと、を備えたことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材を要旨とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１乃至請求項４の発明によれば、光子を吸収することにより生じた輻射吸収層での熱の移動は、熱絶縁層により抑制されるため、ＩＲＶＢの感度を向上することができる。
【００２８】
請求項５乃至請求項７の発明は、ＩＲＶＢの感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
請求項８の発明は、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を具体化した赤外線イメージングビデオボロメーターを図１〜１０を参照して説明する。
図１に示すように赤外線イメージングビデオボロメーター（ＩＲＶＢ）１０は、プラズマを閉じ込める真空容器１に設けられている。真空容器１には赤外線イメージングビデオボロメーター１０の光シールドチューブ３の端部が取り付けられている。光シールドチューブ３の内面は、プラズマからの光反射を避けるために炭素のスプレイにより黒化されている。前記光シールドチューブ３において、前記端部端面には赤外線真空窓５が設けられている。赤外線真空窓５とは反対側の光シールドチューブ３の端面にはプレート７が設けられている。プレート７には、ピンホール或いはスリット９が形成されており、ピンホール或いはスリット９を介してプラズマからの光を光シールドチューブ３に取り入れている。
【００３０】
又、光シールドチューブ３内には、前記プレート７に平行となるようにフレーム部材（マスク）１１が設けられ、プレート７から離隔して配置されている。このフレーム部材１１には図２に示すように金属薄膜体４０が設けられている。又、真空容器１の外部には前記赤外線真空窓５に近接して赤外線ビデオカメラ１３が設けられ、同赤外線ビデオカメラ１３により赤外線真空窓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。
【００３１】
次に、ＩＲＶＢの金属薄膜体４０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。
図３に示すようにフレーム２１は、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの２つの円形をなすフレームからなり、下記のような孔を持つ熱伝導物質としての無酸化銅で作られていている。フレーム２１の材質は、無酸化銅に限定されるものではなく、熱伝導性に優れた材質であるならば限定されるものではない。又、このフレーム２１の中央部分には金属薄膜体４０よりわずかに小さなサイズを有する四角い窓２９が設けられている。なお、窓２９の形状は、四角に限定されるものではなく、金属薄膜体４０の外形形状に応じた形状であればよく、金属薄膜体４０が例えば円形状であれば、わずかに小さなサイズて円形等の他の形状であってもよい。
【００３２】
又、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂには、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つの孔、即ち組立ボルト用ホール２３が等間隔に配置されている。
【００３３】
さらに、ボルトを固く締めるために前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの上下左右各辺には４つの固定ボルト用ホール２５が開けられている。この結果、後述する金属薄膜体４０が固定され、金属薄膜体４０とフレーム２１間に十分な熱的接触がもたらされる。
【００３４】
さらに前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂには、空気の通り抜けができるように、図３、図４に示すようなベントホール３１が作成され、ベントホール３１により金属薄膜体４０の両側で空気圧が異ならないようにされている。
【００３５】
ベントホール３１は、ベントホール（孔）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４に示すようにクランク型となっている。
【００３６】
前記組立ボルト用ホール２３、固定ボルト用ホール２５には、ステンレス・スチールからなる図示しないボルトがステンレス・スチールからなるワッシャーを介して貫通して取着され、図示しないナットと協働して、前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂの間に金属薄膜体４０を挟み込みして固定する。
【００３７】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように金属薄膜体４０は熱絶縁層を構成する第１金属薄膜４１と、第１金属薄膜４１上に積層された輻射吸収層を構成する複数の第２金属薄膜４２とから構成されている。第１金属薄膜４１は、窓２９に張られるため高抗張力のものが好ましく、又、互いにギャップＧを介して隣接する第２金属薄膜４２間の熱の移動を抑制するため、第２金属薄膜４２よりも低熱伝導の材質が好ましい。このため、第１金属薄膜４１としては、例えば、ステンレス鋼や、或いはチタン等のように高抗張力性を有し、低熱伝導性を有するものから選択される。
【００３８】
又、第１金属薄膜４１の膜厚は、１〜１０μｍが好ましいが、この範囲に限定されるものてはない。
複数の第２金属薄膜４２は、図２、及び図５（ａ）に示すようにマトリクス状に配置され、互いにギャップを介して離間している。第２金属薄膜４２は、プラズマからの光子を吸収することにより、赤外線を発生する金属であればよく、この材質としては光子減衰係数（ａ photon attenuation coefficient）が高い、例えばＡｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｐｂ（鉛）を挙げることができる。
【００３９】
又、第２金属薄膜４２は、膜厚が異なると吸収可能な光子のエネルギー領域が異なるため、測定したいエネルギー領域をもった測定対象（光子）に応じた膜厚を用意することにより、入射する輻射や粒子エネルギーの分別が可能である。
【００４０】
又、第２金属薄膜４２のブロックの形状は、平面視した時に正方形でもよく、或いは長方形でもよく、又、さらに他の形状であってもよく、形状が限定されるものではない。第２金属薄膜４２は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように互いにギャップＧを介して離間して配置されている。第２金属薄膜４２のギャップＧは、フォトレジストにより後に第２金属薄膜４２となる領域をマスクした状態で、マスクされなかった領域をドライエッチングで除去することにより形成することができる。
【００４１】
なお、図５（ａ）、（ｂ）で示す第２金属薄膜４２を積層する第１金属薄膜４１では、第１金属薄膜４１全体が同じ膜厚で形成されているが、この構成に限定されるものではない。図６に示すように、第２金属薄膜４２を積層する第１金属薄膜４１の一部の領域を除去してもよい。たとえば、図６に示す例では、第１金属薄膜４１と第２金属薄膜４２とのオーバーラッピング領域ＯＶを残して、第２金属薄膜４２よりも小さいサイズの露出窓４１ａが形成されて第２金属薄膜４２のプラズマ側の面が露出するようにされている。
【００４２】
なお、第２金属薄膜４２のプラズマ側の面を露出する場合には、例えばイオンビームエッチングにより第１金属薄膜４１を削って露出窓４１ａを形成する。
赤外線ビデオカメラ１３側の金属薄膜体４０とフレーム２１は、金属薄膜体４０の放射率を高くするために炭素スプレーで黒く塗装され、感度が改善されている。なお、金属薄膜体４０とフレーム２１間には図示しないインジウム・ガスケットが介在して配置され、金属薄膜体４０とフレーム２１の熱的接触を改善するために使用されている。
【００４３】
（作用）
次に、上記のように構成された第２金属薄膜４２での温度分布について説明する。
第２金属薄膜４２（以下では、吸収ブロックともいう）の温度分布は、有限要素法により入射パワーの関数として計算することができる。
【００４４】
この場合、薄膜要素の要素サイズＬは、吸収ブロック自体の大きさに対して十分に小さく選び、又、時間ステップΔｔは、吸収ブロックの応答時間より十分小さくする。このように設定されることにより、有限要素法によって個々の薄膜要素の温度上昇は以下の式（３）で与えられる。
【００４５】
【数３】
上記のようにして個々の薄膜要素の温度上昇について得られることから、ここで、放射フラックスが入射し始める時刻（ｔ＝０）での温度を３００Ｋ（すなわち、Ｔx,y＝３００Ｋ）と仮定し、ｔ＝1000ms後における吸収ブロックの温度分布の計算結果を図７に示す。
【００４６】
図７において、ｚ軸は温度（単位Ｋ）、ｘ，ｙ軸は要素番号であり、各薄膜要素のサイズは0.525ｍｍとしている。又、この場合、金属薄膜体４０の構成は、第１金属薄膜４１を膜厚１μmのステンレス鋼とし、露出窓４１ａのサイズを4.2 mm×4.2mmとし、吸収ブロック（第２金属薄膜４２）のサイズを2.5μm×6.3mm×6.3mmとし、ギャップＧを1.05mmとした。又、Ｐrad（入射する輻射パワー）を３ｍＷ／cm2とした。
【００４７】
図７に示すように、吸収ブロックの温度上昇に比べて、吸収ブロック中における領域での温度変化が小さいことが分かる。従って、吸収ブロックは熱的に絶縁されており、一様な温度分布を持つと考えることができる。
【００４８】
なお、ボロメータでの較正を行うためには、ＩＲＩＢと同様に、入射パワーが既知で任意の広がりを持つ輻射の下で、吸収ブロックの温度の時間反応を計測すればよい。
なお、式（２）を用いて、入射パワーを近似することができる。係数Ｋと熱拡散時間τは数学的な手法により、フィッティングから求めることができる。このフィッティングについて説明する。
【００４９】
図１０に示すように、金属薄膜に対して既知のパワーPlaserでレーザをチョッパーで照射して、同レーザの照射により同金属薄膜の温度変化を測定する。レーザ照射によって、金属薄膜の温度が上昇して飽和時の温度を最大温度Ｔmaxとし、一方、レーザ照射を停止した状態で金属薄膜の温度が下降した際、飽和時の温度を最低温度Ｔrefとする。なお、Ｔrefは金属薄膜の周囲の雰囲気温度である。
【００５０】
このとき、
Ｋ＝Ｔmax／Plaser
であり、又、
Ｔ−Ｔref＝Ｔmax（１−ｅ-t/τ）
であることから、上記の２つの式で、係数Ｋと熱拡散時間τとを求めることができる。
【００５１】
次に、本実施形態の変換効率を図８を参照して説明する。
図８には、入射した輻射エネルギーの分配が示されており、実線は入射エネルギーを示し、点線は赤外線放射を示し、一点鎖線は熱伝導損失を示している。図８中、ｙ軸はエネルギー比率（％）を示し、ｘ軸は要素番号を示している。実施形態における薄膜要素のサイズは0.525mmである。
【００５２】
金属薄膜体４０の構成は、図６に示す構成である。具体的には第１金属薄膜４１を膜厚１μmのステンレス鋼とし、露出窓４１ａのサイズを4.2 mm×4.2mmとし、吸収ブロック（第２金属薄膜４２）のサイズを2.5μm×6.3mm×6.3mmとし、ギャップＧを1.05mmとした。又、Ｐrad（入射する輻射パワー）を３ｍＷ／cm2とした。
【００５３】
図９は、比較例における入射した輻射エネルギーの分配が示されており、実線は入射エネルギーを示し、点線は赤外線放射を示し、一点鎖線は熱伝導損失を示している。図９中、ｙ軸はエネルギー比率（％）を示し、ｘ軸は要素番号を示している。比較例における薄膜要素のサイズは0.525mmである。
【００５４】
又、図９での金属薄膜体は、従来（すなわち、特許文献２）の一層の金属薄膜で構成したものである。具体的には、金属薄膜を膜厚2.5μmのＡｕ（金）で構成したものである。又、Ｐrad（入射する輻射パワー）を３ｍＷ／cm2とした。
【００５５】
本実施形態の場合は、図８に示すように入射パワーの35％〜45％が赤外線放射に変換され、65％〜55％が熱伝導により失われている。
一方、これまでのＩＲＶＢでは、図９に示すようにわずかに１%〜1.5％が赤外線放射に変換され、98.5%〜99%が熱伝導により失われている。
【００５６】
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
（１） 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター１０では、金属薄膜体４０は、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）と、第１金属薄膜４１上に積層されるとともに互いにギャップＧを介して配置された複数の第２金属薄膜４２（輻射吸収層）とを含むように構成されている。
【００５７】
このように複数の第２金属薄膜４２が互いに離間して配置されるとともに、第１金属薄膜４１が第２金属薄膜４２よりも熱伝導が小さいため、ブロック間の熱伝導を特許文献２の技術よりも１／２０〜１／１００に低減することが可能である。
【００５８】
本実施形態によれば、赤外線として放射されるエネルギーに対して、熱伝導による損失を非常に小さくすることができ、この結果、ＩＲＶＢの感度を向上することができる。
（２） 本実施形態の図６に示す構成では、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）において、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）が積層された領域の一部が除去されて、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）の一部が露出されている。
【００５９】
この結果、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）の入射した輻射パワーによる温度上昇の時間スケールは、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）の熱容量の影響が少なくなり、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）の熱容量に依存することになる。
【００６０】
一方、図５（ｂ）で示す構成では、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）を積層している第１金属薄膜４１（熱絶縁層）の熱容量との影響を受けて、入射した輻射パワーによる温度上昇の時間スケールは、第１金属薄膜４１と第２金属薄膜４２の熱容量の合計に依存することになる。
【００６１】
従って、図６に示す構成の方が、入射した輻射パワーが同じの場合、同輻射パワーによる温度上昇を早くすることができ、早い時間応答性を持つことができる。
（３） 本実施形態のフレーム部材１１では、前記金属薄膜体４０が、熱伝導物質からなる前面フレーム２１ａと裏面フレーム２１ｂにより挟まれた状態で光シールドチューブ３に対して取付けされ、各フレームには金属薄膜体４０のサイズよりわずかに小さな１つの窓２９が設けられている。そして、金属薄膜体４０が窓２９を覆うようにプラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されていて、金属薄膜体４０と２つの前記フレームによりフレーム部材１１が構成されている。このように構成されていることにより、上記（１）又は（２）の効果を有するＩＲＶＢを提供できる。
【００６２】
（４） 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター用の金属薄膜体４０では、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）と、第１金属薄膜４１上に積層されるとともに互いにギャップＧを介して配置された複数の第２金属薄膜４２（輻射吸収層）とを含むように構成されている。
【００６３】
この結果、ＩＲＶＢの感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
（５） 本実施形態の赤外線イメージングビデオボロメーター用の金属薄膜体４０では、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）において、第２金属薄膜４２（輻射吸収層）が積層された領域が除去されて、第２金属薄膜４２の一部が露出されているようにした。
【００６４】
この結果、輻射パワーによる温度上昇を早くすることができ、早い時間応答性を持つ赤外線イメージングビデオボロメーターに使用される金属薄膜体を提供することができる。
（６） 本実施形態のフレーム部材１１は、前記金属薄膜体４０と、熱伝導物質からなる前面フレーム２１ａ，裏面フレーム２１ｂを備えている。そして、各フレームには、前記金属薄膜体４０のサイズよりわずかに小さな１つの窓２９が設けられていて、前記金属薄膜体４０が前記窓２９を覆うように前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されているようにした。
【００６５】
この結果、感度を向上することができる赤外線イメージングビデオボロメーターに使用されるフレーム部材を提供することができる。
（７） 従来のＩＲＩＢと比較した場合、本実施形態の二層からなる金属薄膜体は、下記１）〜３）の長所を有する。
【００６６】
１）感度が５〜２０倍高くなる。
２）ビクセルの一部が影になる、不十分な接触によりマスクがヒートシンクとして機能しない等の、マスク使用による不具合がなくなる。
【００６７】
３） 空間分解能が最大２５％高くなる。
（８） 又、従来のＩＲＩＢ及びＩＲＶＢと比較した場合、本実施形態の二層からなる金属薄膜体は、下記１）及び２）の長所を有する。
【００６８】
１） ５０〜１０００msの時間スケールにおいて、感度が３〜１０倍高くなる。
２） 較正手続が簡便にできる。
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
【００６９】
○ 前記実施形態の構成中、第１金属薄膜４１（熱絶縁層）において、第２金属薄膜４２を積層する領域の膜厚を第１金属薄膜４１間にギャップＧが設けられた領域の膜厚よりも薄く形成してもよい。このように構成しても、赤外線として放射されるエネルギーに対して、熱伝導による損失を非常に小さくすることができ、この結果、ＩＲＶＢの感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明を具体化した一実施形態のＩＲＶＢの全体構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態の赤外線イメージングボロメータのフレーム部材の斜視図。
【図３】同じく一実施形態の赤外線イメージングボロメータのフレームの分解した図。
【図４】同じく一実施形態の赤外線イメージングボロメータのフレームのベントホールの切り欠き断面図。
【図５】（ａ）は同じく金属薄膜体の斜視図、（ｂ）は断面図。
【図６】他の実施形態の金属薄膜体の断面図。
【図７】吸収ブロックの温度分布を示す図。
【図８】本実施形態における入射した輻射エネルギーの分配を示す図。
【図９】比較例における入射した輻射エネルギーの分配を示す図。
【図１０】レーザの照射と、金属薄膜の温度変化を示すグラフ。
【図１１】（ａ）は従来のフレーム部材の分解斜視図、（ｂ）は従来のＩＲＩＢ１００の概略斜視図。
【図１２】他の従来のフレーム部材の正面図。
【符号の説明】
【００７１】
１…真空容器、３…光シールドチューブ、５…赤外線真空窓、
７…プレート、９…ピンホール或いはスリット、
１０…赤外線イメージングビデオボロメーター、１１…フレーム部材、
１３…赤外線ビデオカメラ、２１…フレーム、２１ａ…前面フレーム、
２１ｂ…裏面フレーム２１ｂ、２９…窓、４０…金属薄膜体、
４１…第１金属薄膜（熱絶縁層）、４２…第２金属薄膜（輻射吸収層）、
Ｇ…ギャップ。
【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に取り付けられ、プラズマからの光反射を避けるために黒化された光シールドチューブと、
前記光シールド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光シールドチューブの端面に設けられるとともに、プラズマからの光を取り入れるピンホール或いはスリットを有しているプレートと、
前記プレートに平行になるように前記光シールドチューブ内に取り付けられた金属薄膜体と、
前記赤外線真空窓を介して前記薄膜体を眺める赤外線ビデオカメラと、を有する赤外線イメージングボロメータにおいて、
前記金属薄膜体は、熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター。
【請求項２】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされてい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ビデオボロメーター。
【請求項３】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されてい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ビデオボロメーター。
【請求項４】
前記金属薄膜体が、熱伝導物質からなる２つのフレームにより挟まれた状態で前記光シールドチューブに対して取付けされ、
前記各フレームには前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うようにプラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されていて、前記金属薄膜体と前記２つのフレームによりフレーム部材が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター。
【請求項５】
熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体。
【請求項６】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする請求項４に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体。
【請求項７】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする請求項５に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の金属薄膜体と、
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、前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されているフレームと、
を備えたことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材。
【請求項１】
プラズマが閉じ込められる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黒化された光シールドチューブと、
前記光シールド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光シールドチューブの端面に設けられるとともに、プラズマからの光を取り入れるピンホール或いはスリットを有しているプレートと、
前記プレートに平行になるように前記光シールドチューブ内に取り付けられた金属薄膜体と、
前記赤外線真空窓を介して前記薄膜体を眺める赤外線ビデオカメラと、を有する赤外線イメージングボロメータにおいて、
前記金属薄膜体は、熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター。
【請求項２】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされてい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ビデオボロメーター。
【請求項３】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されてい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ビデオボロメーター。
【請求項４】
前記金属薄膜体が、熱伝導物質からなる２つのフレームにより挟まれた状態で前記光シールドチューブに対して取付けされ、
前記各フレームには前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うようにプラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されていて、前記金属薄膜体と前記２つのフレームによりフレーム部材が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター。
【請求項５】
熱絶縁層と、前記熱絶縁層上に積層されるとともに互いにギャップを介して配置された複数の輻射吸収層とを含むことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体。
【請求項６】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が、前記ギャップが設けられた熱絶縁層の領域よりも薄くされていることを特徴とする請求項４に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体。
【請求項７】
前記熱絶縁層において、前記輻射吸収層が積層された領域が除去されて、前記輻射吸収層の一部が露出されていることを特徴とする請求項５に記載の赤外線イメージングビデオボロメーター用金属薄膜体。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の金属薄膜体と、
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、前記金属薄膜体のサイズよりわずかに小さな１つの窓が設けられていて、前記金属薄膜体が前記窓を覆うように前記フレームに挟まれて、プラズマ側と赤外線カメラ側に露出するように保持されているフレームと、
を備えたことを特徴とする赤外線イメージングビデオボロメーター用フレーム部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２０９２１６（Ｐ２００８−２０９２１６Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４５７１１（Ｐ２００７−４５７１１）
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年１２月５日 インターネットアドレス「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｎｓ．ｊｐ／」「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｆｓ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ−ｊ．ｈｔｍｌ」「ｈｔｔｐ：／／ｉｔｃ．ｎｉｆｓ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ」に発表
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年１２月５日 インターネットアドレス「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｎｓ．ｊｐ／」「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｆｓ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ−ｊ．ｈｔｍｌ」「ｈｔｔｐ：／／ｉｔｃ．ｎｉｆｓ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ」に発表
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【Ｆターム（参考）】
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