image: This is an external view of the two-dimensional microwave image sensor with 8x8 image pixels view more
Credit: NIFS/NINS
自然科学研究機構 核融合科学研究所は、高温プラズマを計測するために、高速2次元マイクロ波カメラを開発しました。このカメラは、マイクロ波が霧や衣服、壁、土を透過することから、濃霧中の安全運行や地中探索、非破壊検査など産業分野への応用が期待されています。
核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)では1億度にも達する超高温のプラズマを生成しています。プラズマの密度や揺動計測のためにマイクロ波が利用されています。これまで、米国では、1次元のマイクロ波イメージセンサーを用いたプラズマ計測が行われていましたが、2次元のマイクロ波イメージセンサーを開発すれば一度の計測で得られる情報を大幅に増やすことができます。このためには、マイクロ波を検知する1次元のセンサーを並列させる必要がありますが、並列させることによって各センサー間で相互干渉を起こしてしまい、正確な情報が得られないという問題がありました。また、従来のマイクロ波イメージングは、レーダー方式や1次元センサーで走査するスキャナー方式などを用いており、低速でした。
核融合科学研究所の長山好夫教授らは、関西大学、東京農工大学、宇部工業高等専門学校、分子科学研究所、九州大学（当時）などとの共同研究により、2次元のマイクロ波イメージセンサーの開発において課題となっていたセンサー間の相互干渉の問題を、アルミ板を使用して内部構造を工夫することで解決し、マイクロ波を高速高感度で検知できる8�8画素の2次元マイクロ波イメージセンサー(図１、２)を開発しました。これにより、1億度近い超高温のLHDプラズマを毎秒百万フレームという高速で撮像することに、世界で初めて成功しました。
開発した2次元マイクロ波イメージセンサーは、64個のセンサーから構成されていますが、従来の問題であった各センサー間の相互干渉が原理的に発生しません。また、マイクロ波を利用した計測手法において重要な指標である「強度」と「位相」を同時に測定することができます。これらの特長によって、本センサーは産業分野など広範囲な応用が期待できます。
本技術について学界・産業界に広く周知するため、関西大学の山口聡一朗准教授の協力を得て、計測データを映像化する高速マイクロ波カラーテレビを製作し、平成27年8月27日から28日にかけて東京で開催された「イノベーション・ジャパン2015～大学見本市＆ビジネスマッチング～」において、実演展示したところ、産業界から多くの期待が寄せられました。
マイクロ波は霧や衣服を透過します。飛行機や船舶などには衝突防止レーダーが搭載されていますが、本研究成果のマイクロ波カメラを用いることで、濃霧など気象条件の悪い中でもより早くより正確に他の飛行機や船舶などの位置が把握できるようになり、運行の安全性を飛躍的に向上させることが可能です。また、空港の保安検査場などで用いることで、衣服に隠された武器などの金属品を短時間で発見することが可能となります。また、マイクロ波は土や壁も通過するため、地中の金属の探索や非破壊検査に応用することで、作業効率を大幅に向上させることができます。本研究で開発したイメージセンサーの画素数は、高温プラズマ計測には十分ですが、産業応用のためには画素数を増やす必要があります。今後は、電子回路の専門家の協力を得て高画素センサーの開発を進める予定です。
核融合プラズマ計測から始まったマイクロ波イメージングですが、今後産業分野における新しい画像診断技術への発展が期待されます。
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【用語解説】
ヘテロダイン検波： 携帯電話、ラジオやテレビなどで広く用いられているマイクロ波の検知方式。ノイズの影響を大きく減らし、マイクロ波の振幅と位相の両方を高感度で測ることができる。受信電波と周波数が近接した電気信号（局発）を周波数混合し、差周波数（中間周波数）の信号を作り、狭帯域のアンプで差周波数のみを増幅することで高感度を得る。
【特許】
長山好夫 特許第5334242号 (2013)
長山好夫、桑原大介、伊藤直樹、吉川正志、特願2014-112475 (2014)
【本件のお問い合せ先】
・核融合科学研究所
ヘリカル研究部・高密度プラズマ物理研究系・教授
長山 好夫（TEL：0572-58-2153、 E-mail: Nagayama.yoshio@nifs.ac.jp）
・関西大学
システム理工学部・准教授
山口 聡一朗（TEL:06-6368-1114、E-mail:yamso16@kansai-u.ac.jp）
・九州大学
産学連携センター・名誉教授
間瀬 淳 （TEL:090-583-8897、 E-mail: mase@astec.kyushu-u.ac.jp）