JPH02223865A - エネルギー測定用センサ及びエネルギー測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、電磁放射、特に無線周波信号、マイクロ波信
号および光放射信号に係るエネルギーおよび電力の測定
に係り、より詳細には、無線周波回路、マイクロ波回路
および光学型の回路におけるエネルギーおよび電力を測
定するためのセンナ及びポロメトリック装置に関するも
のである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕無線周
波回路およびマイクロ波回路におけるエネルギーおよび
電力の測定は、現在のところ、利用分野に応じた様々な
型の装置を用いて実施している。この種の測定は実際に
かなり繊細であり、かつ測定すべき電力範囲に応じて、
様々な型の装置を用いて行われている。実際には、問題
とする電力は極めて広い範囲に亘り変化し、その範囲は
様々な大きな、典型的には一７０ｄＢｍから±３０ｄＢ
ｍおよびそれ以上に及んでいる。このような範囲を網羅
するために、公知の機器では、様々な型の無線周波エネ
ルギーの検出センサ、例えば利用分野に応じて熱センサ
またはポロメトリックセンサ、熱電対およびダイオード
を備えたセンサなどを用いている。これらセンサ並びに
関連装置は応用性、精度、安定性および他のパラメータ
に関し著しい制限を受ける。例えば、ダイオードは低帯
域電力で用いることができるのに対し、熱電対は高帯域
で好ましく用いられ、その結果該機器の利用分野は制限
されたり、あるいは機器並びに同様のもののレンジを変
更するのに複雑な解決策が必要とされる。

公知のセンサ、特にダイオードを備えた高感度モデルの
他の欠点は、種々の周波数（高定在波比）において、調
整が困難であることによって代表され、ダイオードの個
々の特性を考慮した校正および補償が各センサに対して
必要とされ、また、耐電力過渡能力に限界がある。光放
射に関するエネルギーおよび電力の測定に関する限り、
様々な型の装置、例えば皮相電力計（ボルドーアンペア
計）ＨＦ２１５２Ａ、８１５１Ａなどおよび相互作用が
あったとしても組合せた利用等を用いて実施ささており
、該装置は最も一般的には電気的信号および光学的信号
を用いるものである。

従って、本発明の目的は、簡単な構成をもち、広い測定
範囲を有しかつ極めて経済的な標準型の装置を用いて、
無線周波回路、マイクロ波回路および光学回路のエネル
ギーおよび電力を測定できるようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、ガイド中を伝播しているエネルギーを測定
するためのセンサからなる本発明によって達成され、該
センサは 上記ガイドに接続され、入力エネルギーを熱エネルギー
に変換することにより該入射エネルギーを吸収し得る終
端素子と、 該終端素子と熱交換関係にある結晶性材料の層と、 第１の予め決められた波長の光放射を行い、第２の波長
での上記結晶性材料の層の螢光発光を誘起し得る少なく
とも一つの光放射源と、上記結晶性材料の層によって発
せられる放射線用の光電検出器とを含むことを特徴とす
る。

好ましくは、上記結晶性材料の層は、所定の厚さに切断
された単結晶またはルビーもしくは結晶レーザの作製に
適した他の材料の結晶層で作られる。また、このセンサ
は少なくとも２つの波長選択用のフィルタを含む。

特に好ましい実施例によれば（無線周波エネルギーまた
はマイクロ波エネルギーの測定に適する）、導波路が同
軸ケーブルからなり、かつ該センサは、上記終端素子が
上記同軸ケーブルの特性インピーダンスに等しいオーム
抵抗値をもち、上記素子が特にルビー結晶層上にスパッ
タリングにより被着された金属層からなっていることを
特徴とする。

本発明はまた、ガイドを伝播するエネルギーを、上記の
型のセンサを用いて測定する装置にも係り、該装置は 上記第１の波長の放出を変調するための、少なくとも一
つの、上記光放射源に接続された正弦波発振器と、 入力端子が上記光検出器の出力端子および上記正弦波発
振器に接続されていて、上記光検出器から正弦波出力信
号と正弦波変調信号との間の位相を測定するためのコン
パレータ回路と、該コンパレータ出力信号を処理して、
該入射エネルギーおよび／または電力値を算出する手段
とを備えることを特徴とする。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

以下の説明では、加熱される素子（吸収層）にのみ言及
しているが、実際には、常に示差測定が行われ、該セン
サ素子の温度と、測定すべき放射が到達しない周囲温度
を検出するための同等な素子の温度とを比較している。

かくして、この測定は、該示差熱測定によって周囲温度
の影響が排除されるので、放射に基づく温度変化の測定
となる。しかし、本発明の説明のためには、感熱素子お
よび関連するその温度の測定法を一度記載すれば十分で
ある。というのは、この示差測定に用いる２つの検出器
は同等であり、かつその動作上の唯一の差異は一方にの
み放射が到達することにあるからである。

他の型の検出器、例えばサーモレジスタ、サーミスタな
どで周囲温度の測定を行う可能性に言及する必要はない
。このような場合、該示差測定は本発明のセンサ素子に
よって検知された値と、周囲温度に応じて選ばれる標準
表の値との間で行われる。

以下の記載において、光（ｌｉｇｈｔ）および光学（ｏ
ｐｔｉｃａｌ）なる用語は電磁放射に対して用いられ、
この放射はヒトの目に対して可視的である必要はなく、
誘導式に伝播できるものである。

第１図を参照すると、本発明の装置と、それに関連する
センサとが無線周波測定の場合について例示されている
。測定ヘッドとしてのこのセンサはエネルギーを吸収す
る。該エネルギーはクロム分を有する合成ルビー（ピン
クルビー）層上に形成された薄い素子（抵抗性終端素子
）に入射し、この素子は金属、抵抗性合金、または窒素
でできる。

この層は所定の厚みに切断した単結晶の層、あるいは公
知の方法を用いて多数の結晶か”ら形成した層として得
ることができる。

好ましい実施例によれば、この結晶性材料は３価クロム
（Ｃゎ３゛）がドープされたピンクルビーとしても知ら
れる酸化アルミニウム（Ａ　ｅ　２０　ｖ　）によって
構成される。しかし、他の型の結晶、特に結晶レーザの
作製に適したものも使用できる。測定すべき放射線が伝
播するガイドの終端をなす吸収層が受けるエネルギーは
該終端素子の温度上昇に変換され、この温度上昇が次に
該合成ルビー中の温度変化を誘起する。この温度変化は
、適当な光学励起信号とルビー中に誘発された光学的螢
光信号との間の位相遅れを光学的に測定することにより
検出できる。

マイクロ波までの信号に対するボロメトリック検出器に
係る第１図において、センサ１０は同軸ケーブルの端部
に、あるいは外部電極１と内部電極２とをもつ系に取付
けられる。

このセンサは該同軸系の負荷の終端部を終端する金属終
端層３を含み、この金属終端層３は結晶層４またはピン
クルビーの単結晶と熱的に接している。

単結晶またはルビー結晶の結晶層４は、例えば第１図に
示されるように、層４上に環状に配置された１またはそ
れ以上の低減フィルタ５および１またはそれ以上の光放
射線発生器１１．１２によって生成する１またはそれ以
上の光放射源で照射できる。フィルタ５は波長５６０　
ｎｍの放射線を通すが、波長６９４ｎｍの放射線は通さ
ず、−力先放射線発生器１１および１２は好ましくは発
光ダイオード（Ｌ巳Ｄ）でできており、これらは好まし
くは光フアイバ製小片によってフィルタ５に接続されて
いる。層４の中心部には第２の高域光学フィルタ６が設
けられていて、波長５６０ｎｍの放射線を阻止し、かつ
より長い波長のもの、特に波長６９４ｎｍの放射線を通
す。この波長６９４ｎｍの放射線は、層４が第１の波長
５６０ｎｍの光放射線で励起された際に核層から放出さ
れる螢光放射線に対応する。フィルタ５および６はこれ
ら２つの波長間の範囲内の遮断特性をもっている。

フィルタ５および６の間には光スプリッタ７が配置され
、フィルタ６の出力端子は光電検出器８に接続され、該
検出器は螢光発光による光放射線を表す信号を発生し得
る。

第１図に示した装置において、光源１１．１２は接続１
４．１５によって発振器１３から供給され、発振器１３
は制御信号を、ダイオードから放出された放射線も正弦
的に変調されるような様式で、正弦波変調する。

光電検出器８の出力端１７はコンパレータ１６の一つの
入力端に接続され、そのもう一つの入力端には発振器１
３から発生した変調信号が導かれる。

コンパレータ１６は回路１８の一部を構成し、該回路は
処理手段計算手段および表示手段を備えている。これら
手段は電力およびエネルギーの所定の測定を可能とし、
これらは公知の型のものであるのでこれ以上説明しない
。

第１図に示したセンサおよび装置の動作は以下の通りで
ある。測定すべきマイクロ波エネルギーを終端部３に入
射する。ここで終端部３は、電極１および２によって形
成される同軸ガイドの特性インピーダンスに等しいオー
ム抵抗値をもつ抵抗素子を形成するような寸法となって
いる。このように、実質的にすべての入射エネルギーが
該終端部において消耗され、即ち著しい反射はなく　（
定在波比は実質的に１に等しい）、従って終端部３によ
って受は取られた熱エネルギーは入射エネルギーの関数
となる。この終端部は、また以下に述べるように極めて
穏当な熱量（ｔｈｅｒｍａｌ　ｍａｓｓ）を有している
高い応答速度を有するように作られる。

単結晶またはルビー結晶の結晶層４は層３と密な熱接触
状態にあり、その結果その温度は、入射エネルギーを完
全に消耗する金属素子３の温度に直接依存する。

各入射エネルギー値に対して、時間との関係で漸近則が
成り立ち、該終端部の温度上昇は回りの構造体との熱平
衡条件に依存する。

波長５６０　ｎｍで光源１１．１２によって放出された
光エネルギーはフィルタ５を通過し、ピンクルビー層４
に達する。このエネルギーの一部はルビー層４で吸収さ
れ、一方その残りの部分はフィルタ６の方向に反射され
るが、該フィルタを通過することはできない。なんとな
れば、このフィルタは波長６９４　ｎｍで特徴付けられ
ているからである。このように、散乱光エネルギーは光
源検出器８には到達できない。ルビー層４に到達するエ
ネルギ一部分は同様に螢光を発しく該ルビー層は３価ク
ロム０．０５％でドーピングされ、波長６９４ｎｍの螢
光を発する）、このようにして放出されたエネルギーは
フィルタ６を透過して光電検出器８に到達し得る。（ド
ーピングが０．５％に等しい場合、放出される放射線は
波長約７０２　ｎｍのものとなる）。螢光発光法則は、
パルス型励起の法則との関係で、該結晶の温度に依存す
る崩壊時間によって特徴付けられる。従って、励起則が
時間に関連した正弦波型である場合、発生する螢光も時
間に関係した正弦波型で、かつ同一の周波数をもつが、
以下の数学的関係に従う励起に関係した位相遅れをもつ
ものとなる。

ｔｇφ＝ｆｆ ここでφは位相遅れ角であり、ｆは励起則の周波数であ
り、ｔはルビー結晶の温度に直接関連する特性時間であ
る。

従って、光ｓｔｘ、ｔ２の正弦波電気制御信号と光電検
出器８によって発せられた正弦波電気信号との間の位相
変位の測定はルビー結晶４の温度に直接関連付けること
ができ、純粋に光学的手段によって該温度値の測定を可
能とする。この位相変位は公知の方法に従って選ばれる
複数のサンプルについて測定して、順次積算することが
好ましい。マイクロ波信号が一定もしくは該結晶の温度
の漸近的鎮静化の速度に応じて除々に変化する場合、該
マイクロ波信号の有効電力値゛を測定することができる
。しかし、この信号は、より短時間で、ブロック１８に
組込まれた公知の回路によって、温度増加の鎮静を待つ
ことなしに、漸近変位の初期部分の勾配を測定すること
によっても得ることができる。

好ましい層３および４は、クロム含有率０．０５％のル
ビー結晶上に金属層、時にタンタルの層をスパッタタグ
法によって被着することにより得られる。このタンタル
層は数百人程度の厚みをもち、１０％窒素含有不活性ガ
ス雰囲気中で被着される。

終端部はこのようにして作られ、反射電力を零とするた
めに績糸の特性インピーダンスに等しいインピーダンス
値をもち、かつ同時に該終端部の金属層とルビー結晶層
との間には密な結合が形成される。

上述の如く、他の結晶性材料も層４を作製するのに利用
でき、一般には結晶レーザの作製に適したすべての結晶
を用いることができる。

更に、動作温度は周囲温度である必要はない。

例えば、３価りロム濃度０．０５％の合成ルビー結晶は
周囲温度で使用でき、その発光波長は６９４ｎｍであり
、一方センサを維持できる温度７０゜Ｋ以下ではその発
光波長は７００　ｎｍである。いくつかの光源（例えば
ＧａＡｓ　　ＬＥＤ）はこのよう／、（温度下で機能し
ないので、これら源は外部の該センサから離れた位置に
置かれ、センサはジュワーフラスコまたは同様な極低温
系に保たれる。

また、励起光放射は、この場合光ファイバで該結晶に導
かれる。

周囲温度で機能するもう一つの結晶はドーパントとして
３価Ｎｄを含むＹ　ｚ　Ａ　ｌ　ｓ　Ｏｌｚ結晶であり
、これはＹＡＧレーザで使用され、約１１０６５ｎの光
を発する。

第２図に示したセンサの変形において、信号が伝播する
ガイド２０は金属表面１７によって形成された導波路で
あり、かっセンサは、終端部３が十分な特性インピーダ
ンスをもつような寸法とされていること以外、同様に作
用する要素を有している。

第３図には、光エネルギー測定に適したセンサ３０の一
実施例が図示されており、そこで保護ケーシング２３を
備えた光ファイバ２２は金属の被着によって形成された
層２４で終端している。この層は高い表面粗面を有して
いて、入射光放射を完全に吸収しかつこれを熱に変換す
る黒体を構成している。

第２図および第３図において、第１図に°示したものに
対応もしくはこれらに実質的に等価な要素は同一の参照
番号で示しである。

センサを低温度条件下で使用する場合、これらは極低温
容器内に収納され、かつ必要ならば光源１１および１２
は外部に配置し、光ファイバによって該センサに接続す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は同軸ケーブル中での無線周波エネルギーを測定
するように装置に接続された本発明によるセンサを模式
的に示した図であり、 第２図は導波路中でのより高い周波数の測定に適したセ
ンサを模式的に示した図であり、および 第３図は光放射測定用のセンサの１例を示す図である。 １．２・・・電極、３・・・終端層、４・・・単結晶ま
たはルビー層、５，６・・・光学フィルタ、７・・・光
学スプリッタ、８・・・光電検出器、１０，２０．３０
・・・センサ、１１．１２・・・光源、１３・・・発振
器、１４゜１５・・・ｔｉ　ａ　線、１６・・・コンパ
レータ、２２・・・光ファイバ。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガイド中を伝播するエネルギーを測定するエネル
   ギー測定用センサであって、 前記ガイドに接続され、入射エネルギーを熱エネルギー
   に変換することにより該入射エネルギーを吸収し得る終
   端素子と、 該終端素子と熱交換関係にある結晶性材料の層と、 第１の予め決められた波長の光放射を行い、第２の波長
   での前記結晶性材料の層の螢光発光を誘起し得る少なく
   とも一つの光放射源と、前記結晶性材料の層により放出
   される光放射線用の光電検出器とを含む、 ことを特徴とするエネルギー測定用センサ。
2. （２）前記結晶性材料の層が結晶レーザの作製に適した
   物質の単結晶または多数の結晶で形成される、 ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー測定用セン
   サ。
3. （３）前記結晶性材料がピンクルビーとして知られてい
   る、不純物含有酸化アルミニウムである、ことを特徴と
   する請求項２記載のエネルギー測定用センサ。
4. （４）一つが低減フィルタ、他の１つの高域フィルタで
   あり、両者が前記２つの波長間の範囲において遮断特性
   をもつ少なくとも２つの光学フィルタが、前記光放射源
   および前記光電検出器に関連して設けられている、 ことを特徴とする請求項２記載のエネルギー測定用セン
   サ。
5. （５）前記光放射源が発光ダイオードの取付けられた１
   もしくは２以上の光ファイバを含む、 ことを特徴とする請求項４記載のエネルギー測定用セン
   サ。
6. （６）前記第１の波長が５６０ｎｍであり、前記第２の
   波長が６９４ｎｍである、 ことを特徴とする請求項３および５記載のエネルギー測
   定用センサ。
7. （７）無線周波エネルギーおよび／またはマイクロ波エ
   ネルギーを測定するためのものであり、前記ガイドが同
   軸ケーブルからなり、前記終端素子が前記同軸ケーブル
   の特性インピーダンスに等しいオーム抵抗値をもつ、 ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー測定用セン
   サ。
8. （８）前記終端素子が前記結晶性材料の層上にスパッタ
   リングにより被着したタンタルの金属層で構成される、 ことを特徴とする請求項７記載のエネルギー測定用セン
   サ。
9. （９）前記ガイドが光導波路または光ファイバであり、
   前記終端素子が入射放射線を完全に吸収する黒体によっ
   て構成される、 ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー測定用セン
   サ。
10. （１０）上記請求項記載のエネルギー測定用センサを用
    いて、ガイド中を伝播しているエネルギーを測定するた
    めのエネルギー測定装置であって、前記光放射源に接続
    されていて、前記第１の波長の放出の変調を行う正弦波
    発振器と、 入力端子が前記光電検出器の出力端子におよび前記正弦
    波発振器に接続されていて、前記光電検出器からの正弦
    波出力信号と正弦波変調信号との間の位相を測定するた
    めのコンパレータ回路と、 該コンパレータの出力信号を処理して、前記入射エネル
    ギーおよび／または電力値を算出する手段とを含む、 ことを特徴とするエネルギー測定装置。