第 5 章 漏れ波型ばく露装置のばく露に対する周波数特性 43
5.3 数値解析結果の妥当性評価
数値解析結果の妥当性を評価するため，ばく露中の培地の表面での温度上昇分布をサーモ グラフィカメラにより測定した．4章では，周波数 60 GHz の漏れ波型ばく露装置へ本章と 同じ数値解析方法の妥当性を評価した．本章でも妥当性を評価した理由は，周波数120 GHz と周波数を高めるにつれ，相対的な基板の加工精度の低下により，60 GHz の結果だけでは 不十分と判断したためである．
120 GHz連続波は，増幅器·逓倍器ユニット(QBM-C00120SOGO, Quinstar Technology Inc., CA) により8逓倍し，発生させた．ばく露装置への入力電力は，波源の最大出力電力 170 mWから給電素子の挿入損失を考慮して，120 mWと推定した．波源の出力ポートには，給 電素子を介し，漏れ波型 120 GHz ばく露装置を接続した．波源の最大出力電力は，カロリ メトリ式パワーセンサ (PM4, Virginia Diodes, inc., VA)を波源に直接接続したときの測定値 である．
サーモグラフィカメラ TVS-500EX (Nippon Avionics Co., Ltd., Tokyo) は，培養容器の培 地表面に直上に設置した．サーモグラフィカメラの温度精度，温度分解能と，空間解像度 は，それぞれ±2◦C，0.05◦Cと，320×240 pixelであった．培養容器の蓋は，ポリスチレンに よる赤外線放射の吸収を避けるために，熱画像を撮像する前に外した．
実験条件は，サーモグラフィカメラの温度精度以上の温度上昇を測定するため，入力電力 と，ばく露時間，培地の厚みなどを設定した．入力電力は，調達可能な波源の最も高い電 力である，120 mW とした．ばく露時間は，培地表面で十分に大きな温度上昇を得るため，
360 秒とした．培地の厚みは，培地の表面の温度分布を培地の底面の電界分布へ近づけるた
5.3数値解析結果の妥当性評価
めに，2 mm から1 mm に変更した．アプリケータの下は，断熱材を取り付けた．培地は，
対流による熱輸送を熱解析で考慮していないため，少量の寒天 (比率 3%) を混ぜて固めた．
温度測定時の室温は 20◦C であった．
熱解析の解析条件は，第4章の解析方法同様の条件を設定した．熱解析モデルは，アプリ ケータ，培地，培養容器を含めた．ボンディングフィルム, ビアホール，銅箔層は，熱解析 モデルの中に含めなかった．数値解析は，実験と同じばく露時間 360 s と入力電力 120 mW とした．格子サイズは，0.05 mm とした．時間刻み間隔は，2.9 msとした．
表5.2には，熱解析モデルの物理定数を示す [29, 61]. 空気と培地の境界面と空気と培養容 器の境界面の熱伝達率は，文献 [29]から引用した．空気と培養容器の間の境界面での熱伝 達率は，41 W/m2·Kで，空気と培地の間の境界面の熱伝達率は，7.1 W/m2·Kとした．熱伝 達率は，実際の表面積と数値解析の表面積の逆比を積算して，等価になるよう調整した[23].
装置の基板底面の境界条件には，実験において断熱材を付けるため，断熱条件を適用した．
表 5.2. 熱解析に用いる物理定数．
Substructure/material ρ(kg/m3) c(kJ/kg·K) k(W/m·K)
培養容器/polystyrene [29] 1100 1.2 0.12
培地/water [29] 1000 4.2 0.60
基板,培養容器台 2100 1.0 0.28 /fluorocarbon resin [61]
ρ,密度; c,熱容量;k,熱伝導率．
5.3.2 解析結果と実験結果の比較
図 5.3にばく露開始 360 秒後での培地表面の温度上昇分布を示す．図 5.3(a) と 5.3(b) の 温度上昇分布は，それぞれ測定結果と解析結果を示す．図 4.5(c) と 5.3(d) は，図 4.5(a) と
4.5(b)に示した温度上昇での線分(D)–(G)のプロフィルグラフを示す．最大の温度上昇値に
は，測定結果で1.6◦C，解析結果で1.2◦Cと差異が見られた．実験結果と解析結果の培地表 面の温度上昇分布は，y軸方向に伸びたx軸の中心付近で傾向的に一致した．
温度上昇分布の測定結果と解析結果の空間平均値は，培地表面においてそれぞれ 0.98◦C と 1.21◦Cであった．両者の差異は，21%と小さくなった．解析結果の培地内に吸収される 電力の効率は，少なくとも妥当な結果である．
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第5 章 漏れ波型ばく露装置のばく露に対する周波数特性
(a) (b)
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(d)
図 5.3. 周波数 120 GHzにおけるばく露開始360秒後での培地表面の温度上昇分布．(a) 解析結果 の分布，(b) 測定結果の分布, (c) 測定結果と解析結果の温度分布比較 (A) y = 0 mm, (B) y = 9 mm, (d) 測定結果と解析結果の温度分布比較 (C) x= 0 mm, (D) x= 9 mm．