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テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P09P006700
掲載日 2009年9月4日
出願番号 特願2008-039555
公開番号 特開2009-198278
登録番号 特許第4817336号
出願日 平成20年2月21日(2008.2.21)
公開日 平成21年9月3日(2009.9.3)
登録日 平成23年9月9日(2011.9.9)
発明者
  • 今井 洋
  • 山内 智
出願人
  • 国立大学法人茨城大学
発明の名称 テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置 コモンズ 新技術説明会
発明の概要

【課題】試料の集合体構造を精密に測定する、テラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびその構造を得る。
【解決手段】フェムト秒レーザから第1のビーム光と第2のビーム光を発生する。第1のビーム光を第1のテラヘルツ電磁波に変換して試料チャンバーに導入する。第1のテラヘルツ電磁波を第1の試料に伝播させて、第1の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求める。第2のビーム光を第2のテラヘルツ電磁波に変換して試料チャンバーに導入し、第2のテラヘルツ電磁波を第2の試料に伝播させて、第2の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求める。第1の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値と第2の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求める。特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、試料のイオン種を同定する。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


従来の試料として例えば水の構造の検出法として、X線回折法、核磁気共鳴法、ラマン分光分析法、赤外吸収法など種々試みられてきているもののそれぞれの方法に問題があり、未だ水の構造検出、構造分析には至っていない。



例えば、X線回折法は、電子濃度に過敏であり、ラマン分光分析法は、非常に低い波数を用いる必要があり、ラマン分光分析法は複雑なスペクトルピークが現れるなどの問題がある。このように、水の構造を分析する方法がないために、磁気処理水等の効能の原因は未だ不明であり、また水の構造分析が不可能であるために、水の処理の最適化やより高度な水の精製も行えない状況にある。



一方、テラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムは、環境や健康科学に関して効能を持つとされる種々の処理を施した水の構造を分析するのに利用できる。この水の構造分析には磁気処理水を採用し、水中に含まれるミネラル種およびそれらの濃度と磁気処理による水の構造変化との関係を明らかにし、テラヘルツ電磁波による水の構造分析により、磁気処理水の生体(植物)や化学現象における効能を究明することが望まれている。



テラヘルツ電磁波は、一般に300ギガヘルツ(300GHz)から10テラヘルツ(10THz)の周波数帯域の電磁波で、光波と電波の中間に位置している。この周波数領域には、固体中のプラズマ周波数、超伝導体エネルギーギャップガップ、巨大分子の振動モード、様々の分子間相互作用、および気体中の振動スペクトルなどの特性が存在している。テラヘルツ電磁波は、物質をイオン化させない、物質を破壊しない、光波同様の光学系を構築できる、高い位相の感受率を持つなどの特長があり、分光、イメージング、センシングなどの幅広い応用をもつ。



テラヘルツ電磁波時間領域分光システムは、テラヘルツ電磁波の時間波形を測定する手法である。測定した時間波形をフーリュ変換することで、テラヘルツ領域の電場の振幅と位相の周波数成分を得る。この手法は、振幅と位相差を同時に測定できるので、Kramers-Kronig変換を使わずに光学定数を決定できる。



時間領域分光法は、時間遅延を用いることで電磁波の時間波形を検出する方法を透過型時間領域分光法と呼ぶ。透過型時間領域分光法を用いると、電磁波がサンプルを透過する前後での位相差と電磁波の電界振幅の減衰より、物質の複素屈折率、複素導電率などの導出が可能であり、全周波数領域を必要とするKramers-Kronig変換を必要としないという特長を持っている。



本発明の一実施例では、通常の水に比べ水クラスタのサイズが小さいといわれている磁気処理水を取り扱っている。また、磁気処理水と比較するために、非処理水、脱イオン水、および蒸留水を用意した。用意した様々の水を、それぞれ厚さ60μm、130μm、および210μmの場合について、テラヘルツ電磁波時間領域分光システムを用いて測定した。磁気処理水、植物などに影響を及ぼすとされている水の定量的な評価が可能になった。水クラスタのサイズが小さくなるといわれている磁気処理水を主なサンプルとし、様々な水に関して、テラヘルツ電磁波時間領域分光システムを用いて測定を行った。
テラヘルツ放射発生に、フェムト秒パルスレーザーで励起された半導体素子による発生法で、時間領域分光法を用いることで直接電磁波の時間波形測定が可能であり、Kramers-Kronig変換なしに物質の複素屈折率や複素誘電率、複素導率など定数を求めることができる。



フェムト秒パルスレーザーとしては、チタン・サファイヤレーザーやエルビユーム(Er)ドープファイバレーザーがある。
水の構造モデルは、水の分子間ネットワークで水素結合により集合体を形成している。そして、ランダムネットワークモデルでは、ピコ秒オーダーで構造変化し、クラスターモデルでは、テラヘルツ帯の分子間振動する。このためテラヘルツ分光分析が有効である。



一方、水の効能については、磁気処理水の吸収特性の影響の解明と、磁気処理水の微量の含有金属イオンの影響の解明が必要である。



従来の試料として例えば水の構造の検出法として、フェムト光を用いテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用したテラヘルツ電磁波による水の構造分析方法が知られている。この従来の水の構造分析方法においては、1個のビ-ム光(シングルビーム光)を用い、水分析チャンバーに1個の試料(例えば、1種類の水のサンプル)を収容し、一つ一つの試料(サンプル)のみ分析、測定していた。例えば、磁気処理水と非処理水、脱イオン水、および蒸留水との分析においては、それぞれの試料を水分析チャンバーに1回毎に入れ替え、個々の試料のデータを得ていた。



テラヘルツ電磁波は、空気中の水分に対して強く吸収され易い性質を有する。テラヘルツ電磁波は、空気中の水分でかき乱され易い。いいかれば、テラヘルツ電磁波は、テラヘルツ電磁波が伝播する空気中の影響を受け易い。従来の試料分析チャンバー内部での個々の試料による分析は、試料を試料分析チャンバーに入れ替えて時間間隔をおいて行われていた。2種類以上の試料分析の場合、それぞれの試料は、試料分析チャンバー内部の環境条件が変化するので、テラヘルツ電磁波が水分に吸収される具合(吸収率)が変化した。このように、試料分析チャンバー内部に収容した2種類以上の試料の集合体構造を分析しようとしても、試料分析チャンバー内部の環境条件が変化するので、テラヘルツ電磁波は試料分析チャンバー内部の空気によって吸収されるテラヘルツ電磁波の水分割合が異なる等の外乱による差異が生じていた。



このため、テラヘルツ電磁波を用いて、2種類以上の試料の集合体を分析をしようとしても、この場合は試料の集合体構造の精密な測定が不可能であった。例えば、磁気処理水と非磁気処理水の分析の場合、水分析チャンバー内部の環境条件が変化し、例えば2種類の試料である磁気処理水と非磁気処理水とのテラヘルツ電磁波の与える影響が異なるので、磁気処理水と非磁気処理水との集合体構造の相互関連を一度にかつ即座に得られなかった。



また、試料分析チャンバー内部の環境条件が変化するので、試料分析チャンバー内部に配置された個々の試料の集合体構造は、得られるテラヘルツ電磁波吸収係数にばらつきが生じていた。



なお、パルス幅がフェムト秒以上10ピコ秒以下のパルスレーザー光を用いた半導体デバイスの故障診断方法と装置(特許文献1)やパルス幅がフェムト秒以上10ピコ秒以下のパルスレーザー光を用いた集積回路断線検査方法と装置(特許文献2)は公知である。



[特許文献1]特開2006-24774号公報
[特許文献2]特開2004-228235号公報

産業上の利用分野


本発明はテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置に関し、特にフェムト光を用いテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用したテラヘルツ電磁波を用いた試料の集合体構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた試料の集合体構造分析装置に関する。



本発明は特にテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置に関し、特にフェムト光を用いテラヘルツ電磁波時間領域分光分析システムを適用したテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の集合体構造分析方法およびテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の集合体構造分析装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
フェムト秒レーザーから第1のビーム光と第2のビーム光を発生し、前記第1のビーム光を第1のテラヘルツ電磁波に変換して試料分析チャンバーに導入し、前記第1のテラヘルツ電磁波を前記試料分析チャンバーに配置した第1の試料に伝播させて、前記第1の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記第1の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第2のビーム光を第2のテラヘルツ電磁波に変換して前記試料分析チャンバーに導入し、前記第2のテラヘルツ電磁波を前記試料分析チャンバーに配置した第2の試料に伝播させて、前記第2の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記第2の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第1の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記第2の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法。

【請求項2】
請求項1のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法において、前記第1のビーム光と前記第2のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し、前記第1のテラヘルツ電磁波と前記第2のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法。

【請求項3】
請求項1のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法において、前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記第1の試料と前記第2の試料のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析方法。

【請求項4】
フェムト秒レーザーから第1のビーム光と第2のビーム光を発生し、前記第1のビーム光を第1のテラヘルツ電磁波に変換して水分析チャンバーに導入し、前記第1のテラヘルツ電磁波を前記水分析チャンバーに配置した磁気処理水に伝播させて、前記磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記第2のビーム光を第2のテラヘルツ電磁波に変換して前記水分析チャンバーに導入し、前記第2のテラヘルツ電磁波を前記水分析チャンバーに配置した非磁気処理水に伝播させて、前記非磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行ない、前記非磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を求め、前記磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記非磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法。

【請求項5】
請求項4のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法において、前記第1のビーム光と前記第2のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し、前記第1のテラヘルツ電磁波と前記第2のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法。

【請求項6】
請求項4のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法において、前記の特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記磁気処理水と前記非磁気処理水のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析方法。

【請求項7】
第1のビーム光と第2のビーム光を発生するフェムト秒レーザー;前記フェムト秒レーザーで発生した前記第1のビーム光と前記第2のビーム光が伝播する、第1の試料と第2の試料を収納する試料分析チャンバー;前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第1のビーム光を第1のテラヘルツ電磁波に生成する第1のテラヘルツ電磁波生成手段;前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第1のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第1のテラヘルツ電磁波が伝播する前記第1の試料の試料載置部;前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第1の試料載置部に伝播した前記第1のテラヘルツ電磁波を導出する第1のテラヘルツ電磁波導出手段;前記第1の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう第1の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段;前記第1の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測する第1のテラヘルツ電磁波試料吸収値計測手段;前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第2のビーム光を第2のテラヘルツ電磁波に生成する第2のテラヘルツ電磁波生成手段;前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第2のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第2のテラヘルツ電磁波が伝播する前記第2の試料の試料載置部;前記試料分析チャンバーに設けられ、前記第2の試料載置部に伝播した前記第2のテラヘルツ電磁波を導出する第2のテラヘルツ電磁波導出手段;前記第2の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう第2の試料のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段;前記第2の試料の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測する第2のテラヘルツ電磁波試料吸収値計測手段;および前記第1の試料テラヘルツ電磁波吸収値計測手段で計測した前記第1の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記第2の試料テラヘルツ電磁波吸収値計測手段で計測した前記第2の試料の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めるテラヘルツ電磁波吸収値差計測手段よりなることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置。

【請求項8】
請求項7のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、前記第1のビーム光と前記第2のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し、前記第1のテラヘルツ電磁波と前記第2のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置。

【請求項9】
請求項7のテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置において、前記の特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記第1の試料と前記第2の試料のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた試料の構造分析装置

【請求項10】
第1のビーム光と第2のビーム光を発生するフェムト秒レーザー;前記フェムト秒レーザーで発生した前記第1のビーム光と前記第2のビーム光が伝播する、磁気処理水と非磁気処理水を有する水分析チャンバー;前記第1のビーム光を第1のテラヘルツ電磁波に生成する第1のテラヘルツ電磁波生成手段;前記第1のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第1のテラヘルツ電磁波が伝播する、前記水分析チャンバーに設けた前記磁気処理水を収納した磁気処理水載置部;前記磁気処理水載置部を伝播した前記第1のテラヘルツ電磁波を導出する第1のテラヘルツ電磁波導出手段;前記磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう磁気処理水テラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段;前記磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測するテラヘルツ電磁波磁気処理水吸収値計測手段;前記第2のビーム光を第2のテラヘルツ電磁波に生成する第2のテラヘルツ電磁波生成手段;前記第2のテラヘルツ電磁波生成手段からの前記第2のテラヘルツ電磁波が伝播する、前記水分析チャンバーの設けた前記非磁気処理水を収納した非磁気処理水載置部;前記非磁気処理水載置部を伝播した前記第2のテラヘルツ電磁波を導出する第2のテラヘルツ電磁波導出手段;前記非磁気処理水のテラヘルツ電磁波時間領域分光分析を行なう非磁気処理水テラヘルツ電磁波時間領域分光分析手段;前記非磁気処理水の特定のテラヘルツ電磁波吸収値を計測するテラヘルツ電磁波非磁気処理水吸収値計測手段;および前記磁気処理水の前記テラヘルツ電磁波磁気処理水吸収値計測手段で計測した前記磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値と前記非磁気処理水の前記テラヘルツ電磁波非磁気処理水吸収値計測手段で計測した前記非磁気処理水の前記特定のテラヘルツ電磁波吸収値との差を求めるテラヘルツ電磁波吸収値差計測手段よりなることを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置。

【請求項11】
請求項10のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置において、前記第1のビーム光と前記第2のビームとは、同じ強度と同じ位相を有し前記第1のテラヘルツ電磁波と前記第2のテラヘルツ電磁波とは、同じ強度と同じ位相を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置。

【請求項12】
請求項10のテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置において、前記の特定のテラヘルツ電磁波吸収値差により、前記磁気処理水と前記非磁気処理水のイオン種を同定することを特徴とするテラヘルツ電磁波を用いた磁気処理水と非磁気処理水の構造分析装置
産業区分
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008039555thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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