JP5917330B2 - グロー放電検出器およびテラヘルツ波検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、グロー放電検出器およびテラヘルツ波検出装置に関する。

冷却型のボロメータなどのテラヘルツ波検出装置は高感度であるが高価であるため、あまり普及していない。一方、電磁波を検出する検出装置として、安価なグロー放電管を用いた検出装置がある（例えば特許文献１、非特許文献１〜４参照）。この検出装置は、グロー放電管と信号処理回路とを備え、グロー放電管に入射したミリ波などの電磁波による放電電流の変化を信号処理回路によって検出することで電磁波を検出している。

米国特許第３７９０８９５号明細書

A. Abramovich, et. al., Applied Optics, Vol.46, No.29, pp.7207(2007) D. Rozban, et. al., Journal of Applied Physics, Vol.103, pp.093306(2008) Lei Hou, et. al., IEEE Journal of selected topics in quantumelectronics, Vol.17, No.1, pp.177 (2011) N. S. Kopeika, IEEE Transactions on Plasma Science, PS-6, No.2,pp.139 (1978)

上述の検出装置は、１ＴＨｚ以上のテラヘルツ波用に設計されているわけではないので、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、赤外線などの周波数帯域の異なるいずれの電磁波が入射しても、放電電流が変化する。このため、この検出装置では、例えばテラヘルツ波光源からのテラヘルツ波を物質に照射して、その物質を透過したテラヘルツ波を検出する場合、検出対象のテラヘルツ波の周波数とは異なる周波数の電磁波はノイズとなるので、テラヘルツ波の検出精度が低下するおそれがある。

また、グロー放電管を用いた検出装置では、カソード電極とアノード電極との間に電圧が印加された場合、放電によりカソード電極の周囲にプラズマが発生する。そして、検出装置は、カソード電極の周囲に発生したプラズマに電磁波が照射されることで電磁波を検出する。上述の検出装置では、カソード電極は棒状の電極であるので、プラズマが発生している領域が狭く、テラヘルツ波の検出効率が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波の検出精度および検出効率を向上可能な構造を有するグロー放電検出器およびテラヘルツ波検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るグロー放電検出器は、互いに対向して配置されたカソード電極およびアノード電極を備え、カソード電極とアノード電極との間に形成されたプラズマ領域に検出対象の電磁波が入射されることにより電磁波を検出する。また、カソード電極は、検出対象の電磁波の周波数に応じて定められる周期で電磁波の入射方向に交差する方向に配列された複数の貫通孔であって、検出対象の電磁波の周波数に応じて定められる直径を有する複数の貫通孔を有している。

このグロー放電検出器においては、カソード電極は、検出対象の電磁波の周波数に応じて定められる周期で電磁波の入射方向に交差する方向に配列された複数の貫通孔であって、検出対象の電磁波の周波数に応じて定められる直径を有する複数の貫通孔を有している。このため、カソード電極に入射した電磁波に対して、カソード電極によって定められる周波数の電磁波を選択的に透過させることができる。これにより、カソード電極とアノード電極との間に形成されたプラズマ領域に、周波数選択された電磁波を照射することができる。このため、検出対象の電磁波の周波数とは異なる周波数の電磁波による放電電流の増加を抑制でき、検出対象の電磁波の検出精度を向上することが可能となる。また、カソード電極は複数の貫通孔が配列された電極であるので、カソード電極が棒状電極である場合と比較して、表面積が大きく、プラズマ領域（放電領域）を拡大することができるとともに、複数の貫通孔を介して、貫通孔の配列方向に交差する方向に沿って入射した電磁波を、カソード電極とアノード電極との間に形成されたプラズマ領域に照射することができる。このため、検出対象の電磁波を効率よく検出することができ、検出対象の電磁波の検出感度を向上することが可能となる。

カソード電極は板状の電極であってもよい。この構成によれば、カソード電極が棒状電極である場合と比較して、プラズマ領域を拡大することができる。また、カソード電極は、複数の貫通孔が設けられた電極であるので、カソード電極に入射した電磁波を、複数の貫通孔を介してカソード電極とアノード電極との間に形成されたプラズマ領域に照射することができる。このため、電磁波が広がって入射したとしても、電磁波を効率よく検出することができ、電磁波の検出感度を向上することが可能となる。

アノード電極は板状の電極であってもよい。また、アノード電極は、上述の周期で配列された上述の直径を有する複数の貫通孔を有していてもよい。これらの構成においても、検出対象の電磁波の検出精度および検出感度を向上することが可能となる。

グロー放電検出器は、カソード電極とアノード電極との間の放電電流を検出するためのセンシング電極をさらに備えてもよい。また、センシング電極は、上述の周期で配列された上述の直径を有する複数の貫通孔を有する板状の電極であってもよい。これらの構成によれば、センシング電極の電位の変化を検出することによって、放電電流の電流量の変化を検出することができ、検出対象の電磁波の検出が可能となる。

アノード電極は棒状の電極であり、カソード電極はアノード電極を囲むように設けられた筒状の電極であってもよい。また、この構成において、カソード電極の一端が閉塞されていてもよい。これらの構成によれば、アノード電極を囲むカソード電極の側面に交差する方向から電磁波が入射するようにカソード電極を配置すればよい。このため、カソード電極の配置の自由度を向上することができ、グロー放電検出器の配置の自由度を向上することが可能となる。

グロー放電検出器は、カソード電極およびアノード電極との間に設けられた絶縁スペーサをさらに備えてもよい。この場合、絶縁スペーサには、カソード電極に設けられた貫通孔の各々に対応する位置に放電用貫通孔が設けられていてもよい。この構成によれば、カソード電極とアノード電極との間に電圧が印加されると、各放電用貫通孔においてホローカソード放電が生じ、各放電用貫通孔にプラズマ領域が形成される。このとき、カソード電極の貫通孔の配列方向に交差する方向に沿って電磁波が入射すると、カソード電極によって定められる周波数の電磁波が選択的に透過して、各プラズマ領域に照射する。このため、放電電流をさらに効率よく増加させることができる。その結果、検出対象の電磁波の検出感度のさらなる向上が可能となる。

カソード電極は筒状の電極であり、アノード電極は、カソード電極と同軸のリング状の電極であってもよい。このホローカソード型の構成によれば、筒状のカソード電極の側面に交差する方向から電磁波が入射するようにカソード電極を配置すればよい。このため、カソード電極の配置の自由度を向上することができ、グロー放電検出器の配置の自由度を向上することが可能となる。

グロー放電検出器は、外部から入射した電磁波を、カソード電極の貫通孔の配列方向に交差する方向に沿ってカソード電極に集光する集光部をさらに備えてもよい。この構成によれば、電磁波は、集光部によって集光され、カソード電極の貫通孔の配列方向に交差する方向に沿ってカソード電極に入射する。このため、電磁波が広がって入射したとしても、カソード電極に電磁波を集光することができ、検出対象の電磁波の検出感度をさらに向上することが可能となる。

グロー放電検出器は、カソード電極およびアノード電極を透過した電磁波を反射して、アノード電極に出射する反射部をさらに備えてもよい。この場合、アノード電極は、上述の周期で配列された複数の貫通孔を有している。この構成によれば、カソード電極およびアノード電極を透過した電磁波を反射部により反射して、反射した電磁波をカソード電極とアノード電極との間のプラズマ領域に再び照射することができる。このため、検出対象の電磁波の検出感度をさらに向上することが可能となる。

グロー放電検出器は、外部から入射した電磁波を、カソード電極の貫通孔の配列方向に交差する方向と平行にカソード電極に出射する軸外し放物面鏡をさらに備えてもよい。この構成によれば、電磁波は、軸外し放物面鏡によってカソード電極の貫通孔の配列方向に交差する方向に平行な平行光とされる。このため、電磁波が広がって入射したとしても、カソード電極の貫通孔の配列方向に交差する方向に平行に電磁波をカソード電極に入射することができ、検出対象の電磁波の検出感度をさらに向上することが可能となる。

カソード電極において、複数の貫通孔が三角配置されていてもよい。この構成によれば、グロー放電検出器は、電磁波の偏光成分を区別することなく電磁波を検出することが可能となる。

カソード電極において、複数の貫通孔が四角配置されていてもよい。この構成によれば、カソード電極は、回転対称性が変わるので、入射光の偏光依存性を有する。このため、グロー放電検出器は、偏光依存性を有することができ、電磁波の偏光成分の検出が可能となる。

本発明に係るテラヘルツ波検出装置は、上述のグロー放電検出器と、カソード電極にグロー放電を生じさせるための電源と、カソード電極とアノード電極との間の放電電流の電流量の変化を検出する計測装置と、を備える。

このテラヘルツ波検出装置においては、カソード電極は、検出対象の電磁波の周波数に応じて定められる周期で複数の貫通孔が配列された電極である。このため、貫通孔の配列方向に交差する方向に沿ってカソード電極に入射した電磁波に対して、カソード電極によって定められる周波数の電磁波を選択的に透過させることができる。これにより、電源によりカソード電極とアノード電極との間に形成されたプラズマ領域に、周波数選択された電磁波を照射することができる。このため、検出対象の電磁波の周波数とは異なる周波数の電磁波による放電電流の増加を抑制でき、検出対象の電磁波の検出精度を向上することが可能となる。また、カソード電極は複数の貫通孔が配列された電極であるので、カソード電極が棒状電極である場合と比較して、表面積が大きく、プラズマ領域を拡大することができるとともに、複数の貫通孔を介して、貫通孔の配列方向に交差する方向に沿って入射した電磁波を、カソード電極とアノード電極との間に形成されたプラズマ領域に照射することができる。このため、検出対象の電磁波を効率よく検出することができ、検出対象の電磁波の検出感度を向上することが可能となる。

本発明に係るテラヘルツ波検出装置は、センシング電極を備えるグロー放電検出器と、カソード電極にグロー放電を生じさせるための電源と、センシング電極の電位の変化を検出する計測装置と、を備える。

このテラヘルツ波検出装置においても、検出対象の電磁波の検出精度および検出感度を向上することが可能となる。また、このテラヘルツ波検出装置では、センシング電極の電位の変化を検出することにより、放電電流の電流量の変化を検出することができ、検出対象の電磁波の検出が可能となる。

本発明によれば、テラヘルツ波の検出精度および検出効率を向上できる。

第１実施形態に係るテラヘルツ波検出装置の構成を概略的に示す図である。 図１のカソード電極の構成を概略的に示す図である。 図２のカソード電極におけるテラヘルツ波の透過特性の測定値およびシミュレーション結果を示す図である。 図１のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 図１のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 図１のテラヘルツ波検出装置の変形例の構成を概略的に示す図である。 図２のカソード電極の変形例の構成を概略的に示す図である。 第２実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。 図８のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 図８のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 図８のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 図８のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 第３実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。 図１３のグロー放電検出器の変形例の構成を概略的に示す図である。 第４実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。 第５実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るグロー放電検出器およびテラヘルツ波検出装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るテラヘルツ波検出装置の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、テラヘルツ波検出装置１は、テラヘルツ波Ｗ（検出対象の電磁波）を検出するための装置であって、グロー放電検出器２と、処理回路４と、を備えている。

グロー放電検出器２は、電圧が印加されることによりグロー放電を生じるグロー放電管を用いた検出器である。グロー放電検出器２は、カソード電極２１と、アノード電極２２と、バルブ２３と、支持部２４と、支持部２５と、を備えている。カソード電極２１およびアノード電極２２は、板状の電極であって、互いに対向して設けられ、一定の距離を保って平行に配置されている。カソード電極２１は、アノード電極２２と対向する内面２１ｃと、内面２１ｃと反対の外面２１ｄと、を有する。アノード電極２２は、カソード電極２１と対向する内面２２ｃと、内面２２ｃと反対の外面２２ｄと、を有する。このカソード電極２１およびアノード電極２２の詳細については、後述する。

バルブ２３は、両端が閉塞されて密閉された筒状部材であって、例えば直径２５ｍｍ程度、長さ２８ｍｍ程度の円筒部材である。このバルブ２３は、テラヘルツ波Ｗの透過率が高い材料、例えば合成石英により構成されている。また、バルブ２３は、略円形の頂面２３ａと、頂面２３ａと対向する略円形の底面２３ｂと、頂面２３ａの周縁および底面２３ｂの周縁に沿った側面２３ｃとを有する。バルブ２３の内部には、カソード電極２１およびアノード電極２２が配置されている。さらに、バルブ２３内には、例えばネオン（Ｎｅ）などのガスが充填されており、その圧力は１〜１０Ｔｏｒｒ程度である。ネオンに代えて、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスがバルブ２３内に充填されてもよい。

支持部２４は、カソード電極２１を支持するための棒状部材である。この支持部２４は、バルブ２３の軸方向Ａに沿って延びており、底面２３ｂを貫通している。また、支持部２４は、導電性の部材であって、例えばニッケル（Ｎｉ）などの金属から構成されている。支持部２４の一端側は、カソード電極２１の外面２１ｄの周縁部に取り付けられており、他端側は後述の処理回路４に電気的に接続されている。支持部２５は、アノード電極２２を支持するための棒状部材である。この支持部２５は、バルブ２３の軸方向Ａに沿って延びており、底面２３ｂを貫通している。また、支持部２５は、導電性の部材であって、例えばニッケル（Ｎｉ）などの金属から構成されている。支持部２５の一端側は、アノード電極２２の外面２２ｄの周縁部に取り付けられており、他端側は処理回路４に電気的に接続されている。

処理回路４は、グロー放電検出器２に電圧を印加して放電させ、グロー放電検出器２に入射したテラヘルツ波Ｗを検出するための回路である。処理回路４は、電源４１と、電流計４２と、抵抗器４３と、抵抗器４４と、ロックインアンプなどの計測装置４５とを備えている。電源４１は、カソード電極２１とアノード電極２２との間に電圧を印加するための電源であって、例えば直流定電圧電源である。また、電源４１は、電圧値を変更可能な可変電源であり、プラス端子が接地電位ＧＮＤに接続されている。なお、電源４１は、直流定電流電源としてもよい。また、計測装置４５は、Ａ／Ｄ変換器、オシロスコープ、マルチメータでもよい。

電流計４２は、カソード電極２１とアノード電極２２との間の放電電流値を計測する機器であって、電源４１のマイナス端子と抵抗器４３の一端との間に直列に接続されている。また、抵抗器４３の他端は、支持部２４の他端に電気的に接続されている。抵抗器４４の一端は支持部２５の他端に電気的に接続され、抵抗器４４の他端は接地電位ＧＮＤに電気的に接続されている。計測装置４５は、抵抗器４４の両端の電位差を入力し、その変化を検出することでテラヘルツ波Ｗを検出する。

続いて、上述したカソード電極２１およびアノード電極２２についてさらに詳細に説明する。図２は、カソード電極２１の構成を概略的に示す図である。図２に示されるように、カソード電極２１は、板状の電極部２１ａに所定形状の複数の貫通孔２１ｂが所定の繰り返し周期ｓで設けられた板状のメタルホールアレイ電極である。電極部２１ａは、例えばニッケルなどの導電性の金属から構成された金属薄膜である。この電極部２１ａの長さは例えば２１ｍｍ程度、電極部２１ａの幅は例えば１３ｍｍ程度、電極部２１ａの厚さｔは１００μｍ程度である。なお、電極部２１ａは、アブノーマルグロー放電に適した材料から構成されていればよく、ニッケルに限られない。

貫通孔２１ｂは、検出対象のテラヘルツ波Ｗの波長程度以下の大きさを有し、例えば平面視において略円形であって、その直径φは例えば２００μｍ程度である。また、貫通孔２１ｂは、電極部２１ａの一辺２１ｅに平行な複数のラインＬ上に沿って、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じた周期ｓで配列されている。また、貫通孔２１ｂは、その貫通孔２１ｂが配置されたラインＬと隣り合うラインＬに配置された貫通孔２１ｂのうち、最も近くに配置された２つの貫通孔２１ｂ，２１ｂの各々に対して、周期ｓと同じピッチで設けられている。すなわち、貫通孔２１ｂは、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じた周期ｓで、検出対象のテラヘルツ波Ｗの入射方向（この例では、方向Ｂ）に交差する方向に配列されており、各貫通孔２１ｂは、平面視において一辺が周期ｓと同じ長さの正三角形の頂点に配置されている。この周期ｓは、例えば３００μｍ程度である。

このように構成されたカソード電極２１は、特定の周波数を有する電磁波を通すバンドパスフィルタとして機能する。このカソード電極２１の特性は、貫通孔２１ｂの直径φ、貫通孔２１ｂの周期ｓ、および、電極部２１ａの厚さｔによって変化する。例えば、カソード電極２１の透過ピーク周波数ν_ｐおよびカットオフ周波数ν_ｃは、光速ｃを用いてそれぞれ以下の式（１）、（２）で表される。なお、透過ピーク周波数ν_ｐは、透過率が最も高くなる周波数である。

式（１）に示されるように、透過ピーク周波数ν_ｐは周期ｓに反比例し、周期ｓが大きくなるに従い、透過ピーク周波数ν_ｐは低周波数になり、周期ｓが小さくなるに従い、透過ピーク周波数ν_ｐは高周波数になる。式（２）に示されるように、カットオフ周波数ν_ｃは直径φに反比例し、直径φが大きくなるに従い、カットオフ周波数ν_ｃは低周波数になり、直径φが小さくなるに従い、カットオフ周波数ν_ｃは高周波数になる。また、カソード電極２１がフィルタとしての特性を示すために、厚さｔは検出対象のテラヘルツ波Ｗの波長よりも小さい値に設定することが好ましい。厚さｔが大きくなるに従い、カットオフ周波数ν_ｃは透過ピーク周波数ν_ｐに近づくので、透過ピーク周波数ν_ｐの幅が狭くなる。

そこで、カソード電極２１は、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に対応したバンドパスフィルタとなるように貫通孔２１ｂの直径φ、周期ｓ、および、電極部２１ａの厚さｔが調整される。この実施形態において、カソード電極２１は、１ＴＨｚのテラヘルツ波Ｗを透過するように構成されている。なお、電極部２１ａには、２０以上の貫通孔２１ｂが設けられていることが好ましい。この場合、カソード電極２１によって、急峻な透過スペクトルが得られ、バンドパスフィルタとしての特性を十分に発揮することが可能となる。また、テラヘルツ波Ｗは、カソード電極２１の貫通孔２１ｂが配列された外面２１ｄに交差する方向Ｂからカソード電極２１に入射する。

アノード電極２２は、カソード電極２１と同様の構成を有するメタルホールアレイ電極であって、カソード電極２１に対向して設けられている。すなわち、アノード電極２２は、板状の電極部２２ａに所定形状の複数の貫通孔２２ｂが周期ｓで設けられた板状のメタルホールアレイ電極である。電極部２２ａは、例えばニッケルなどの導電性の金属から構成された金属薄膜である。電極部２２ａの大きさは、電極部２１ａの大きさと等しく、電極部２２ａに設けられた貫通孔２２ｂは、貫通孔２１ｂと同じ直径φで、貫通孔２１ｂと同様に周期ｓで三角配置されている。すなわち、貫通孔２２ｂは、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じた周期ｓで、検出対象のテラヘルツ波Ｗの入射方向に交差する方向に配列されており、各貫通孔２２ｂは、平面視において一辺が周期ｓと同じ長さの正三角形の頂点に配置されている。

続いて、テラヘルツ波検出装置１のテラヘルツ波の検出原理について説明する。まず、電源４１によってカソード電極２１およびアノード電極２２間に電圧を印加する。このとき、電流計４２により計測される放電電流値が１０ｍＡ程度になるように、電源４１の印加電圧を調整する。印加電圧は、例えば２００Ｖ程度である。つまり、アブノーマルグロー領域（放電電流と放電電圧とが比例関係にある状態）でグロー放電検出器２を放電させる。そして、カソード電極２１から高い運動エネルギーを有する熱電子が放出される。この熱電子は、周囲のガス分子と衝突し、ガス分子を電離させてイオン化する。さらに、熱電子およびイオン化により発生した電子は、周囲のガス分子に衝突し、ガス分子を再度電離させてイオン化する。このようにして、カソード電極２１の周辺にプラズマが発生し、プラズマ領域Ｐが形成される。

ところで、イオン化エネルギー以下のエネルギーを有する電子は、イオン化に寄与できない。しかし、プラズマ領域Ｐにテラヘルツ波Ｗが入射すると、カソード電極２１から放出された熱電子はテラヘルツ波Ｗのエネルギーを吸収する。これにより、イオン化エネルギーより高いエネルギーを有する熱電子の割合が高くなる。そして、イオン化エネルギーより高いエネルギーを有する熱電子の割合が高くなると、ガス分子がイオン化する確率が増加し、ガス分子のイオンが増加することによって放電電流の電流量が増加する。すなわち、テラヘルツ波検出装置１にテラヘルツ波Ｗが入射すると、放電電流の電流量が増加する。

ここで、カソード電極２１は、１ＴＨｚ付近のテラヘルツ波Ｗを透過可能に構成されたメタルホールアレイ電極である。このため、カソード電極２１の外面２１ｄに交差する方向Ｂから、電磁波がバルブ２３の側面２３ｃに入射し、側面２３ｃを通過してカソード電極２１に入射すると、１ＴＨｚ付近のテラヘルツ波Ｗのみがカソード電極２１を透過する。そして、カソード電極２１の近傍において表面プラズモンポラリトンが励起され、カソード電極２１を透過したテラヘルツ波Ｗの電場が増強される。これにより、テラヘルツ波Ｗによって放電電流を効率よく増加させることができる。そして、放電電流が増加すると、抵抗器４４を流れる電流量が増加するので、抵抗器４４による電圧降下量が増加する。したがって、テラヘルツ波検出装置１は、抵抗器４４による電圧降下量の増加を計測装置４５により検出することにより、入射したテラヘルツ波Ｗを高感度に検出することが可能となる。

グロー放電検出器において、入射する電磁波の周波数ωがプラズマ周波数ω_０より十分高い場合、電磁波による電流変化ΔＪは、電磁波がないときの電流密度Ｊ_０、入射電磁波の振幅Ｅ_０、カソードとプラズマ領域との距離ｄ、および、ガス分子のイオン化エネルギーＶを用いて、以下の式（３）のように表される。

式（３）に示されるように、ΔＪはプラズマ周波数ω_０の２乗に比例する。ここで、プラズマ周波数ω_０は、プラズマ中の電子密度ｎ、素電荷ｅ、電子の質量ｍ、真空の誘電率ε_０を用いて、以下の式（４）のように表される。

また、電子密度ｎはガス圧に比例する。したがって、式（３）および式（４）によれば、電流変化ΔＪはガス圧に比例する。

カソード電極２１の開口率は４０％程度であるので、テラヘルツ波Ｗがカソード電極２１に入射した場合、本来は４０％程度の透過率でテラヘルツ波Ｗがカソード電極２１を透過するはずである。しかし、カソード電極２１による表面プラズモンポラリトンによって異常透過が起こり、８０％程度の透過率でテラヘルツ波Ｗがカソード電極２１を透過する。このとき、開口率が４０％程度のカソード電極２１にテラヘルツ波Ｗが集中するので、カソード電極２１の近傍におけるテラヘルツ波Ｗの強度は２倍程度に増加する。このため、上記式（３）より、テラヘルツ波Ｗの検出感度は２倍程度になることが見込まれる。

図３は、貫通孔２１ｂの直径φを２００μｍ、貫通孔２１ｂの周期ｓを３００μｍ、電極部２１ａの厚さｔを１００μｍとした場合のカソード電極２１の透過特性の測定値およびシミュレーション結果を示す図である。図３において、横軸は周波数を示し、縦軸は透過率を示す。図３に示されるように、カソード電極２１では、１ＴＨｚ付近において透過率が最大となる。また、カソード電極２１は開口率が４０％であるが、８０％以上の高い透過率を有する。このように、カソード電極２１は、０．９〜１．１ＴＨｚの周波数を有するテラヘルツ波Ｗを通過させるバンドパスフィルタとして機能し、カソード電極２１とアノード電極２２との間に形成されるプラズマ領域Ｐに十分な強度を有するテラヘルツ波Ｗを入射することが可能となる。

以上説明したように、グロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１では、カソード電極２１とアノード電極２２との間に電圧が印加された場合、カソード電極２１の周囲においてグロー放電が生じる。このとき、カソード電極２１の外面２１ｄ側においても放電は生じるが、カソード電極２１とアノード電極２２との間においてより強い放電が生じてプラズマ領域Ｐが形成される。このため、カソード電極２１とアノード電極２２との間のプラズマ領域Ｐにテラヘルツ波Ｗが入射することにより、テラヘルツ波Ｗの検出を感度よく行うことが可能となる。

また、カソード電極２１は板状のメタルホールアレイ電極であるので、カソード電極２１の表面近傍では同一の電位になっており、貫通孔を有しない板状電極と同様の放電状態を実現できる。このため、グロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１では、カソード電極が棒状電極である場合と比較して、プラズマ領域Ｐ（放電領域）を拡大することができる。カソード電極およびアノード電極が貫通孔を有しない板状電極である場合、プラズマ領域Ｐを拡大することはできるものの、カソード電極とアノード電極との間隙は狭いので、広がったテラヘルツ波Ｗをプラズマ領域Ｐに効率よく照射することができない。これに対して、カソード電極２１は、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じて定められる周期ｓで、テラヘルツ波Ｗの入射方向Ｂに交差する方向に配列された複数の貫通孔２１ｂを有しているので、カソード電極２１の外面２１ｄにテラヘルツ波Ｗが入射することにより、複数の貫通孔２１ｂを通過して、カソード電極２１とアノード電極２２との間に形成されたプラズマ領域Ｐにテラヘルツ波Ｗを照射することができる。このため、テラヘルツ波Ｗが広がって入射したとしても、テラヘルツ波Ｗを効率よく検出することができ、テラヘルツ波Ｗの検出感度を向上することが可能となる。

また、グロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１では、カソード電極２１は、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じて定められる直径φを有する複数の貫通孔２１ｂが、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じて定められる周期ｓで配列されたメタルホールアレイ電極である。このため、カソード電極２１は、貫通孔２１ｂの配列方向に交差する方向Ｂに沿って入射する電磁波の周波数選択特性を有する。したがって、テラヘルツ波Ｗが方向Ｂに沿ってカソード電極２１に入射した場合、カソード電極２１の貫通孔２１ｂの形状および配列に応じて定められる周波数のテラヘルツ波Ｗを選択的に透過させることができる。これにより、カソード電極２１とアノード電極２２との間において、カソード電極２１付近に形成されたプラズマ領域Ｐに周波数選択されたテラヘルツ波Ｗを照射することができる。このため、周波数選択されたテラヘルツ波Ｗによる放電電流の増加を検出することが可能となる。その結果、テラヘルツ波Ｗとは異なる周波数の電磁波による放電電流の増加を抑制でき、テラヘルツ波Ｗの検出精度を向上することが可能となる。

ところで、開口の大きさ、開口の周期、針金の寸法などが任意のメタルメッシュ電極をカソード電極に用いた場合、カソード電極は、メタルメッシュの開口より短い波長の電磁波のみを透過させるハイパスフィルタとして機能する。この場合、カソード電極は、周波数選択性を有するものの、高周波数の電磁波を除去できない。これに対して、グロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１では、直径φの大きさがテラヘルツ波Ｗの波長程度以下の貫通孔２１ｂを有するメタルホールアレイ電極をカソード電極２１に用いているため、カソード電極２１はバンドパスフィルタとして機能する。このため、カソード電極をメタルメッシュ電極とした場合と比較して、背景ノイズをより低減でき、テラヘルツ波Ｗの検出精度をさらに向上することが可能となる。

また、カソード電極２１はメタルホールアレイ電極であるので、カソード電極２１によって誘起される表面プラズモンポラリトンによって、カソード電極２１を透過したテラヘルツ波Ｗの電場を増強させることができる。このため、テラヘルツ波Ｗによる放電電流の増加量を大きくすることができ、テラヘルツ波Ｗの検出感度を向上することが可能となる。

なお、図４に示されるように、支持部２４および支持部２５は絶縁体（例えばガラスなど）により構成されてもよい。この場合、グロー放電検出器２は、導線２６および導線２７をさらに備える。この導線２６および導線２７は、銅などの導電性の部材により構成されている。導線２６の一端は、カソード電極２１に電気的に接続され、導線２６の他端は、抵抗器４３の他端に電気的に接続されている。導線２７の一端は、アノード電極２２に電気的に接続され、導線２７の他端は、抵抗器４４の一端に電気的に接続されている。このように、導線２６および導線２７によりカソード電極２１およびアノード電極２２と処理回路４との電気的な接続を行っている。導線２６および導線２７は、支持部２４および支持部２５と比較して配線の自由度が高い。したがって、図４のグロー放電検出器２によれば、図１のグロー放電検出器２と比較して、グロー放電検出器２の配置の制限を緩和することができる。

また、図５に示されるように、アノード電極２２は棒状の電極であってもよい。この場合、アノード電極２２は、バルブ２３の軸方向Ａに沿って延びており、底面２３ｂを貫通している。アノード電極２２の一端側は、カソード電極２１と一定の距離を保って対向して設けられ、アノード電極２２の他端は、抵抗器４４の一端に電気的に接続されている。このため、支持部２５が不要となり、グロー放電検出器２の構成を簡易化できる。

また、アノード電極２２は、貫通孔２２ｂを有しない板状の電極であってもよい。また、カソード電極２１の内面２１ｃの面積は、アノード電極２２の内面２２ｃの面積よりも大きくしてもよい。この場合、プラズマ領域Ｐをさらに拡大することができる。

また、図６に示されるように、グロー放電検出器２は、センシング電極２８と支持部２９とをさらに備える３極管グロー放電検出器であってもよい。この場合、センシング電極２８は、カソード電極２１と同様の構成を有するメタルホールアレイ電極である。すなわち、センシング電極２８は、板状の電極部２８ａに所定形状の複数の貫通孔２８ｂが所定の繰り返し周期ｓで設けられた板状のメタルホールアレイ電極である。また、センシング電極２８は、バルブ２３の内部に設けられ、カソード電極２１とアノード電極２２との間に、カソード電極２１およびアノード電極２２と平行に配置されている。電極部２８ａは、例えばニッケルなどの導電性の金属から構成された金属薄膜である。電極部２８ａの大きさは、電極部２１ａの大きさと等しく、電極部２８ａに設けられた貫通孔２８ｂは、貫通孔２１ｂと同じ直径φで、貫通孔２１ｂと同様に周期ｓで三角配置されている。すなわち、貫通孔２８ｂは、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じた周期ｓで、検出対象のテラヘルツ波Ｗの入射方向に交差する方向に配列されており、各貫通孔２８ｂは、検出対象のテラヘルツ波Ｗの周波数に応じた直径φを有し、平面視において一辺が周期ｓと同じ長さの正三角形の頂点に配置されている。

支持部２９は、センシング電極２８を支持するための棒状部材である。この支持部２９は、バルブ２３の軸方向Ａに沿って延びており、底面２３ｂを貫通している。また、支持部２９は、導電性の部材であって、例えばニッケル（Ｎｉ）などの金属から構成されている。この支持部２９の一端側は、センシング電極２８に取り付けられており、他端側は計測装置４５に電気的に接続されている。支持部２９は、例えばセンシング電極２８の周縁部に設けられている。図６のテラヘルツ波検出装置１では、計測装置４５は、センシング電極２８の電位を入力し、その電位の変化を検出することでテラヘルツ波Ｗを検出する。

また、図６のテラヘルツ波検出装置１において、アノード電極２２およびセンシング電極２８の少なくとも一つは、棒状の電極であってもよい。この場合、図５のグロー放電検出器２と同様に、支持部２５または支持部２９が不要となり、グロー放電検出器２の構成を簡易化できる。また、図６のテラヘルツ波検出装置１において、図１のテラヘルツ波検出装置１と同様に、計測装置４５は、抵抗器４４の電圧変化を計測することにより、テラヘルツ波を検出してもよい。さらに、グロー放電検出器２は、４つ以上の電極を備えてもよい。

また、図７に示されるように、カソード電極２１は、板状の電極部２１ａに所定形状の複数の貫通孔２２ｂが四角配置されたメタルホールアレイ電極としてもよい。この場合、貫通孔２１ｂは、電極部２１ａの一辺２１ｅに平行な複数のラインＬ１上に沿って、周期ｓ１で配置されている。また、貫通孔２１ｂは、ラインＬ１と交差する複数のラインＬ２に沿って、周期ｓ２で設けられている。すなわち、貫通孔２１ｂは、平面視において一組の辺が周期ｓ１と同じ長さで、他の組の辺が周期ｓ２と同じ長さの四角形の頂点に配置されている。

図２のカソード電極２１は、入射光の偏光依存性を有しないのに対して、図７のカソード電極２１は、回転対称性が変わるので、入射光の偏光依存性を有する。このため、図７のカソード電極２１を用いることにより、グロー放電検出器２は、偏光依存性を有することができる。その結果、グロー放電検出器２は、テラヘルツ波の偏光成分の検出が可能となる。

また、貫通孔２１ｂおよび貫通孔２２ｂの形状は、円形に限定されない。例えば、貫通孔２１ｂおよび貫通孔２２ｂの形状は、四角、スリット、Ｃ型またはε型でもよい。貫通孔２１ｂの形状が四角の場合、透過ピーク周波数ν_ｐは、貫通孔２１ｂの周期ｓに強く依存する。また、貫通孔２１ｂの形状がスリットの場合、低周波数における透過率が最も高く、周波数が高くなるに従い透過率は緩やかに減少する。また、貫通孔２１ｂの形状がＣ型の場合、入射するテラヘルツ波Ｗの偏光によって、透過ピーク周波数ν_ｐが変化する。また、貫通孔２１ｂの形状がε型の場合、２つの透過ピーク周波数ν_ｐが生じる。

また、支持部２４は、カソード電極２１のどの位置に設けられてもよい。また、２以上の支持部２４がカソード電極２１に設けられてもよい。支持部２５は、アノード電極２２のどの位置に設けられてもよい。また、２以上の支持部２５がアノード電極２２に設けられてもよい。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。図８に示されるように、バルブ２３の外部から平行光として入射したテラヘルツ波Ｗをカソード電極２１に集光する構成を有する点において、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２と相違している。すなわち、第２実施形態のグロー放電検出器２は、軸外し放物面鏡３１（集光部）と、支持部３２と、をさらに備えている。

軸外し放物面鏡３１は、バルブ２３の外部から平行光として入射したテラヘルツ波Ｗをカソード電極２１に集光するための鏡部材である。この軸外し放物面鏡３１は、放物面３１ａを有する。放物面３１ａは、軸方向Ａから方向Ｂに向かって滑らかに湾曲する曲面であって、鏡面をなしている。また、軸外し放物面鏡３１は、バルブ２３の内部に設けられており、放物面３１ａは、バルブ２３の頂面２３ａおよびカソード電極２１の外面２１ｄに対向している。このように構成された軸外し放物面鏡３１は、軸方向Ａから入射したテラヘルツ波Ｗをカソード電極２１の外面２１ｄに集光する。

支持部３２は、軸外し放物面鏡３１を支持するための棒状部材である。この支持部３２は、バルブ２３の軸方向Ａに沿って延びており、底面２３ｂを貫通している。また、支持部３２は、例えばガラスなどの絶縁体から構成されている。この支持部３２の一端側は、例えば軸外し放物面鏡３１の底面に取り付けられている。

以上の第２実施形態のグロー放電検出器２およびこれを用いたテラヘルツ波検出装置１によっても、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１と同様の効果が奏される。さらに、第２実施形態のグロー放電検出器２では、テラヘルツ波Ｗは、バルブ２３の軸方向Ａに沿ってバルブ２３の外部から入射し、バルブ２３の頂面２３ａを通過して、軸外し放物面鏡３１の放物面３１ａに入射する。そして、テラヘルツ波Ｗは、軸外し放物面鏡３１によって集光されてカソード電極２１の外面２１ｄに入射する。このため、テラヘルツ波Ｗがグロー放電検出器２に広がって入射したとしても、カソード電極２１の周辺に発生しているプラズマ領域Ｐにテラヘルツ波Ｗを集光することができ、テラヘルツ波Ｗの検出感度をさらに向上させることが可能となる。

また、図９に示されるように、軸外し放物面鏡３１は、バルブ２３の外部から広がって入射したテラヘルツ波Ｗを平行光に変換するための鏡部材であってもよい。この場合、放物面３１ａは、軸方向Ａから入射したテラヘルツ波Ｗを方向Ｂに平行に出射するための形状を有している。この図９のグロー放電検出器２では、テラヘルツ波Ｗは、バルブ２３の軸方向Ａに沿ってバルブ２３の外部から入射し、バルブ２３の頂面２３ａを通過して、軸外し放物面鏡３１の放物面３１ａに入射する。そして、テラヘルツ波Ｗは、軸外し放物面鏡３１によって方向Ｂに平行な平行光とされ、カソード電極２１の外面２１ｄに垂直に入射する。このため、テラヘルツ波Ｗが広がって入射したとしても、テラヘルツ波Ｗをカソード電極２１の外面２１ｄに出射することができる。その結果、テラヘルツ波Ｗの検出感度をさらに向上させることが可能となる。

また、図１０に示されるように、グロー放電検出器２は、軸外し放物面鏡３１に代えて、コーン型集光鏡３３（集光部）を備えてもよい。このコーン型集光鏡３３は、バルブ２３の外部から広がって入射したテラヘルツ波Ｗを集光するための鏡部材であって、軸方向Ａを回転軸とする円錐台形の筒状部材である。また、コーン型集光鏡３３の内面に沿って、反射面３３ａが設けられている。コーン型集光鏡３３は、バルブ２３の頂面２３ａに対向する開口部３３ｂと、底面２３ｂに対向する開口部３３ｃとを有する。

また、カソード電極２１は、外面２１ｄが開口部３３ｃに対向するように配置されている。アノード電極２２は、外面２２ｄが底面２３ｂに対向するように配置されている。また、支持部２４の一端は、例えばカソード電極２１の周縁に取り付けられている。支持部２５の一端は、例えばアノード電極２２の外面２２ｄに取り付けられている。

この図１０のグロー放電検出器２では、テラヘルツ波Ｗは、バルブ２３の軸方向Ａに沿って、バルブ２３の外部から入射し、バルブ２３の頂面２３ａを通過して、コーン型集光鏡３３の開口部３３ｂから反射面３３ａに入射する。そして、テラヘルツ波Ｗは、コーン型集光鏡３３によってに集光されて開口部３３ｃから出射され、カソード電極２１の外面２１ｄに入射する。このため、テラヘルツ波Ｗがグロー放電検出器２に広がって入射したとしても、カソード電極２１の周辺に発生しているプラズマ領域Ｐにテラヘルツ波Ｗを集光して照射することができ、テラヘルツ波Ｗの検出感度をさらに向上させることが可能となる。

また、図１１に示されるように、グロー放電検出器２は、さらに反射鏡３４（反射部）を備えてもよい。反射鏡３４は、軸外し放物面鏡３１によって集光されたテラヘルツ波Ｗのうち、カソード電極２１およびアノード電極２２を透過した成分を反射して、アノード電極２２に出射するための鏡部材である。この反射鏡３４は、放物面３４ａを有する。放物面３４ａは、方向Ｂに窪む曲面であって、鏡面をなしている。また、反射鏡３４は、バルブ２３の内部に設けられており、放物面３４ａは、アノード電極２２の外面２２ｄに対向している。このように構成された反射鏡３４は、アノード電極２２を透過して反射鏡３４に入射したテラヘルツ波Ｗを反射し、アノード電極２２の外面２２ｄに集光する。この場合、カソード電極２１およびアノード電極２２はいずれも、板状のメタルホールアレイ電極である。

この図１１のグロー放電検出器２では、テラヘルツ波Ｗは、バルブ２３の軸方向Ａに沿ってバルブ２３の外部から入射し、バルブ２３の頂面２３ａを通過して、軸外し放物面鏡３１の放物面３１ａに入射する。そして、テラヘルツ波Ｗは、軸外し放物面鏡３１によって集光され、カソード電極２１の外面２１ｄに入射する。また、カソード電極２１およびアノード電極２２を透過したテラヘルツ波Ｗは、反射鏡３４の放物面３４ａに入射する。そして、テラヘルツ波Ｗは、反射鏡３４によって集光され、アノード電極２２の外面２２ｄに入射する。このように、図１１のグロー放電検出器２では、カソード電極２１およびアノード電極２２を透過したテラヘルツ波Ｗを反射鏡３４で反射することにより、カソード電極２１の周辺に発生しているプラズマ領域Ｐにテラヘルツ波Ｗを再び照射することができる。このため、テラヘルツ波Ｗの検出感度をさらに向上させることが可能となる。

また、図１２に示されるように、アノード電極２２は、方向Ｂを回転軸とするリング状の電極であってもよい。この場合、アノード電極２２がリング状であるため、テラヘルツ波Ｗはアノード電極２２を無損失で透過できる。このため、テラヘルツ波Ｗの検出感度をさらに向上させることが可能となる。

また、軸外し放物面鏡３１は、アノード電極として構成されてもよい。この場合、アノード電極２２が不要となり、グロー放電検出器２の構成を簡易化できる。

［第３実施形態］
図１３は、第３実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。図１３に示されるように、第３実施形態のグロー放電検出器２は、カソード電極２１およびアノード電極２２の形状および配置において、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２と相違している。すなわち、第３実施形態のグロー放電検出器２は、同軸型グロー放電検出器である。

第３実施形態のグロー放電検出器２では、カソード電極２１は、軸方向Ａを中心軸とした中空筒状の電極部２１ａに、直径φの複数の貫通孔２１ｂが所定の繰り返し周期ｓで設けられたメタルホールアレイ電極である。この電極部２１ａは、例えば両端に開口を有する中空の円筒状金属部材である。すなわち、カソード電極２１は、第１実施形態のカソード電極２１を軸方向Ａを中心軸として筒状に巻いたものである。また、アノード電極２２は、カソード電極２１（電極部２１ａ）の中心軸に沿って、バルブ２３の底面２３ｂを貫通して延びる棒状電極である。このカソード電極２１およびアノード電極２２は、バルブ２３内に設けられており、アノード電極２２の一端側を囲むようにカソード電極２１が配置されている。また、アノード電極２２の他端は、抵抗器４４の一端に電気的に接続されている。支持部２４の一端は、カソード電極２１の端部に取り付けられ、支持部２４の他端は、抵抗器４３の他端に電気的に接続されている。

このように、第３実施形態のグロー放電検出器２およびこれを用いたテラヘルツ波検出装置１によっても、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１と同様の効果が奏される。さらに、第３実施形態のグロー放電検出器２を用いたテラヘルツ波検出装置１では、電源４１によりカソード電極２１およびアノード電極２２間に電圧が印加されると、筒状のカソード電極２１が放電してカソード電極２１の内部にプラズマが発生し、プラズマ領域Ｐが形成される。このとき、カソード電極２１の外面２１ｄと交差する方向からテラヘルツ波Ｗが入射すると、カソード電極２１に応じた周波数のテラヘルツ波Ｗが選択的に透過して、プラズマ領域Ｐに入射する。このように、カソード電極２１が筒状のメタルホールアレイ電極であるので、カソード電極２１の中心軸に交差する方向から入射するテラヘルツ波Ｗを周波数選択して透過でき、テラヘルツ波Ｗの検出精度の向上が可能となる。すなわち、バルブ２３の側面２３ｃから入射するテラヘルツ波Ｗの検出精度の向上が可能となるので、テラヘルツ波Ｗの入射方向を広げることができる。その結果、グロー放電検出器２の配置の自由度を向上することが可能となる。また、アノード電極２２は棒状電極であるので、支持部２５が不要となり、グロー放電検出器２の構成を簡易化できる。また、放電領域が広がるため、テラヘルツ波Ｗを効率よく検出することができ、テラヘルツ波Ｗの検出感度を向上することが可能となる。

なお、カソード電極２１を棒状電極とし、アノード電極２２を、カソード電極２１を中心軸とした筒状のメタルホールアレイ電極としてもよい。この場合、電源４１によりカソード電極２１およびアノード電極２２間に電圧が印加されると、棒状のカソード電極２１が放電して、アノード電極２２の内部にプラズマ領域Ｐが形成される。そして、アノード電極２２の外面２２ｄと交差する方向からテラヘルツ波Ｗが入射すると、アノード電極２２に応じた周波数のテラヘルツ波Ｗが選択的に透過して、プラズマ領域Ｐに入射する。したがって、この構成においても、第３実施形態と同様の効果が奏される。

また、図１４に示されるように、カソード電極２１は、キャップ状のメタルホールアレイ電極であってもよい。すなわち、図１３のカソード電極２１の一端側の開口が、閉塞されていてもよい。この場合、プラズマ領域Ｐが頂面２３ａによってバルブ２３内に閉じ込められるため、テラヘルツ波Ｗを効率よく検出することができ、テラヘルツ波Ｗの検出感度を向上することが可能となる。

［第４実施形態］
図１５は、第４実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。図１５に示されるように、第４実施形態のグロー放電検出器２は、カソード電極２１およびアノード電極２２を含む電極構造Ｅにおいて、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２と相違している。すなわち、第４実施形態のグロー放電検出器２は、絶縁スペーサ３６をさらに備える。

この第４実施形態のグロー放電検出器２では、アノード電極２２は、板状の電極であって、電極部２２ａには貫通孔２２ｂが設けられていない。絶縁スペーサ３６は、ホローカソードを形成するための絶縁性の部材であって、例えばアルミナなどの絶縁性セラミックスなどから構成されている。この絶縁スペーサ３６は、カソード電極２１とアノード電極２２との間に挟まれており、カソード電極２１の貫通孔２１ｂの各々に対応する位置に貫通孔３６ａ（放電用貫通孔）が設けられている。すなわち、カソード電極２１の貫通孔２１ｂの各々と、その貫通孔２１ｂに対応して設けられた貫通孔３６ａとが連接されて筒状の放電用穴Ｈ（図示せず）をなしている。そして、放電用穴Ｈの各々は、アノード電極２２の内面２２ｃまで達している。バルブ２３には、Ｎｅなどの放電ガスが密封されており、このバルブ２３の内部に、絶縁スペーサ３６と、カソード電極２１と、アノード電極２２とによって構成された電極構造Ｅが配置されている。

図１５の（ａ）に示されるように、電極構造Ｅは、バルブ２３内において、カソード電極２１の外面２１ｄが方向Ｂと交差するように配置されてもよい。また、図１５の（ｂ）に示されるように、電極構造Ｅは、バルブ２３内において、カソード電極２１の外面２１ｄが頂面２３ａに対向するように配置されてもよい。

以上の第４実施形態のグロー放電検出器２およびこれを用いたテラヘルツ波検出装置１によっても、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１と同様の効果が奏される。さらに、第４実施形態のグロー放電検出器２を用いたテラヘルツ波検出装置１では、電源４１によりカソード電極２１およびアノード電極２２間に電圧が印加されると、各放電用穴Ｈにおいてホローカソード放電が生じる。このため、各放電用穴Ｈにプラズマが発生し、プラズマ領域Ｐ（図示せず）が形成される。このとき、カソード電極２１の外面２１ｄと交差する方向からテラヘルツ波Ｗが入射すると、カソード電極２１に応じた周波数のテラヘルツ波Ｗが選択的に透過して、各プラズマ領域Ｐに入射する。このように、各プラズマ領域Ｐに周波数選択されたテラヘルツ波Ｗが入射することにより、放電電流をさらに効率よく増加することができる。その結果、テラヘルツ波検出装置１は、テラヘルツ波Ｗの検出感度のさらなる向上が可能となる。

［第５実施形態］
図１６は、第５実施形態に係るグロー放電検出器の構成を概略的に示す図である。図１６に示されるように、第５実施形態のグロー放電検出器２は、カソード電極２１およびアノード電極２２の形状および配置において、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２と相違している。すなわち、第５実施形態のグロー放電検出器２は、ホローカソード型グロー放電検出器である。

第５実施形態のグロー放電検出器２では、カソード電極２１は、軸方向Ａを中心軸とした中空筒状の電極部２１ａに所定形状の複数の貫通孔２１ｂが所定の繰り返し周期ｓで設けられた筒状のメタルホールアレイ電極である。電極部２１ａは、例えば円筒状である。すなわち、カソード電極２１は、第１実施形態のカソード電極２１を軸方向Ａを中心軸として筒状に巻いたものである。また、アノード電極２２は、軸方向Ａを中心軸としたリング状の電極である。このカソード電極２１の中心軸とアノード電極２２の中心軸は同軸であって、バルブ２３の内部において、カソード電極２１の一端側の開口部に対向するようにアノード電極２２が設けられている。このように、カソード電極２１およびアノード電極２２は、ホローカソード電極構造をなしている。

支持部２４の一端は、カソード電極２１の他端に取り付けられ、支持部２４の他端は、抵抗器４３の他端に電気的に接続されている。支持部２５は、例えば一対の棒状部材２５ａ，２５ｂからなる。この棒状部材２５ａ，２５ｂの少なくともいずれかは、導電性材料から構成されている。各棒状部材２５ａ，２５ｂの一端はアノード電極２２の周縁に設けられ、底面２３ｂを貫通して延びている。また、棒状部材２５ａ，２５ｂのうち導電性材料から構成されている棒状部材の他端は、抵抗器４４の一端に電気的に接続されている。

以上の第５実施形態のグロー放電検出器２およびこれを用いたテラヘルツ波検出装置１によっても、上述した第１実施形態のグロー放電検出器２およびテラヘルツ波検出装置１と同様の効果が奏される。さらに、第５実施形態のグロー放電検出器２を用いたテラヘルツ波検出装置１では、電源４１によりカソード電極２１およびアノード電極２２間に電圧が印加されると、筒状のカソード電極２１によって囲まれる領域において強く放電する。このため、カソード電極２１によって囲まれる領域にプラズマが発生し、プラズマ領域Ｐが形成される。このとき、カソード電極２１の外面２１ｄと交差する方向からテラヘルツ波Ｗが入射すると、カソード電極２１に応じた周波数のテラヘルツ波Ｗが選択的に透過して、プラズマ領域Ｐに入射する。このように、カソード電極２１が筒状のメタルホールアレイ電極であるので、カソード電極２１の中心軸に交差する方向から入射するテラヘルツ波Ｗを周波数選択して透過でき、テラヘルツ波Ｗの検出精度の向上が可能となる。このとき、カソード電極２１によって囲まれたプラズマ領域Ｐに周波数選択されたテラヘルツ波Ｗが入射することにより、テラヘルツ波Ｗの検出感度のさらなる向上が可能となる。

なお、本発明に係るグロー放電検出器およびテラヘルツ波検出装置は上記第１〜第５実施形態に記載したものに限定されない。例えば、検出対象の電磁波は、テラヘルツ波に限定されず、所望の周波数の電磁波とすることができる。この場合、検出対象の電磁波の周波数に応じて、カソード電極２１の貫通孔２１ｂの直径φ、配列の周期ｓなどが決定される。

また、上記実施形態では、バルブ２３は合成石英により構成されているが、検出対象の電磁波の周波数透過特性が高い材料により構成されていればよい。なお、鉛ガラスは、その厚さが１．２ｍｍとした場合、周波数が１ＴＨｚのテラヘルツ波の透過率が１０^−４％程度と低いので、テラヘルツ波検出装置のバルブ２３の材料としては不適である。また、バルブ２３は、検出対象の電磁波が入射する方向に、当該電磁波の周波数透過特性が高い材料により構成された窓を有していればよい。

また、第２実施形態において、カソード電極２１およびアノード電極２２を含む電極構造は、第１実施形態、第３実施形態〜第５実施形態のいずれのカソード電極２１およびアノード電極２２の電極構造としてもよい。すなわち、軸外し放物面鏡３１は、貫通孔２１ｂの配列方向に交差する方向に沿ってカソード電極２１の外面２１ｄにテラヘルツ波Ｗを出射すればよく、カソード電極２１およびアノード電極２２の電極構造はいずれかの構造に限定されない。

１…テラヘルツ波検出装置、２…グロー放電検出器、２１…カソード電極、２１ｂ…貫通孔、２２…アノード電極、２２ｂ…貫通孔、２８…センシング電極、２８ｂ…貫通孔、３１…軸外し放物面鏡（集光部）、３３…コーン型集光鏡（集光部）、３４…反射鏡（反射部）、３６…絶縁スペーサ、３６ａ…貫通孔（放電用貫通孔）、４１…電源、４５…計測装置、Ｐ…プラズマ領域、Ｗ…テラヘルツ波。

Claims (18)

1. 互いに対向して配置されたカソード電極およびアノード電極を備え、前記カソード電極と前記アノード電極との間に形成されたプラズマ領域に検出対象の電磁波が入射されることにより前記電磁波を検出するグロー放電検出器であって、
   前記カソード電極は、前記電磁波の周波数に応じて定められる周期で前記電磁波の入射方向に交差する方向に配列された複数の貫通孔であって、前記電磁波の周波数に応じて定められる直径を有する複数の貫通孔を有していることを特徴とするグロー放電検出器。
2. 前記カソード電極は、板状の電極であることを特徴とする請求項１に記載のグロー放電検出器。
3. 前記アノード電極は、板状の電極であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のグロー放電検出器。
4. 前記アノード電極は、前記周期で配列された前記直径を有する複数の貫通孔を有していることを特徴とする請求項３に記載のグロー放電検出器。
5. 前記カソード電極と前記アノード電極との間の放電電流を検出するためのセンシング電極をさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のグロー放電検出器。
6. 前記センシング電極は、前記周期で配列された前記直径を有する複数の貫通孔を有する板状の電極であることを特徴とする請求項５に記載のグロー放電検出器。
7. 前記アノード電極は棒状の電極であり、
   前記カソード電極は、前記アノード電極を囲むように設けられた筒状の電極であることを特徴とする請求項１に記載のグロー放電検出器。
8. 前記カソード電極の一端が閉塞されていることを特徴とする請求項７に記載のグロー放電検出器。
9. 前記カソード電極および前記アノード電極との間に設けられた絶縁スペーサをさらに備え、
   前記絶縁スペーサには、前記カソード電極に設けられた前記貫通孔の各々に対応する位置に放電用貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のグロー放電検出器。
10. 前記カソード電極は筒状の電極であり、
    前記アノード電極は、前記カソード電極と同軸のリング状の電極であることを特徴とする請求項１に記載のグロー放電検出器。
11. 外部から入射した電磁波を、前記方向に沿ってカソード電極に集光する集光部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のグロー放電検出器。
12. 前記カソード電極および前記アノード電極を透過した電磁波を反射して、前記アノード電極に出射する反射部をさらに備え、
    前記アノード電極は、前記周期で配列された複数の貫通孔を有していることを特徴とする請求項１１に記載のグロー放電検出器。
13. 外部から入射した電磁波を、前記方向と平行に前記カソード電極に出射する軸外し放物面鏡をさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のグロー放電検出器。
14. 前記カソード電極において、前記複数の貫通孔が三角配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載のグロー放電検出器。
15. 前記カソード電極において、前記複数の貫通孔が四角配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載のグロー放電検出器。
16. 前記電磁波は、テラヘルツ波であることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載のグロー放電検出器。
17. 請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載のグロー放電検出器と、
    前記カソード電極にグロー放電を生じさせるための電源と、
    前記カソード電極と前記アノード電極との間の放電電流の電流量の変化を検出する計測装置と、
    を備えることを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
18. 請求項５または請求項６に記載のグロー放電検出器と、
    前記カソード電極にグロー放電を生じさせるための電源と、
    前記センシング電極の電位の変化を検出する計測装置と、
    を備えることを特徴とするテラヘルツ波検出装置。

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