第 8 章 結論 74
B.3 漏れ波型装置のばく露に対する統計的な分布関数の導出
第B章 漏れ波型装置のばく露に対する統計的な特性
と表される．ここで，Eは直交3成分からなる電界ベクトルである．
92
付録 C
放射型 300GHz ばく露装置の開発とばく露評価
開口面アンテナを用いて細胞へ周波数 300 GHz の電波をばく露する放射型ばく露装置を 開発する．放射型ばく露装置を用いた理由は，周波数 300 GHz では，波長が短いためにポ スト壁導波路の加工精度の限界を超えると考えられるためである．ポスト壁導波路に基づ く漏れ波型ばく露装置の最大の周波数は，本論で180 GHzと推定した．細胞の存在する範 囲でのばく露量の十分な均一度，ばく露量の効率，細胞が内在する培地内での電力吸収量を 得ることを目標とした．
C.1 300 GHz 放射型ばく露装置の構成
図C.1にばく露システムのブロック図とインキュベータ内部でのばく露装置の構造につい て写真を示す．アンテナと培養容器は，インキュベータの内側に設置する．ミリ波の電力 吸収は，培地内の表面付近にて生じるため，細胞が存在する位置の培地底面にて高いばく露 強度を与えるためには，培養容器下からばく露する構造が適している [24]．
培養容器位置まで自由空間中をミリ波が伝送するために，本検討では開口面アンテナを用 いた．培養容器の下へ回転放物面鏡 (47-104, Edmund Optics) を配置し，円錐ホーンアンテ
ナ (Radiometer Physics GmbH)により給電した．回転放物面鏡の直径は，培養容器に比べて
大きい50.8 mmとした．培養容器の設置位置における電力密度の空間平均値は，直径 50.8
mm の放物面アンテナと，大きい直径 76.2 mmの放物面アンテナの間で，ほぼ同じであっ た．放物面鏡の焦点距離は，76.2 mmとした．焦点距離はばく露量の効率と空間分布の均一 性が両立できる距離を選択した．
放物面鏡の1次放射器には，円錐ホーンアンテナを用いた．円錐ホーンアンテナの開口直
径 ϕ = 3.00 mm，ホーンの長さは 14.5 mmとした．このとき，最大放射方向の絶対利得は
18 dBiとなった．円錐ホーンアンテナから放射された電磁界の遠方界での位相中心位置は，
第C章 放射型300GHzばく露装置の開発とばく露評価
ホーン開口から0.5 mm内側にあった．位相中心位置を放物面鏡の焦点位置に合わせた.
図C.1. ばく露システムのブロック図とインキュベータ内部でのばく露装置の構造について．
周波数60 GHzの近傍界放射型ばく露装置では，インピーダンス整合層を挿入した場合に，
アンテナと培養容器の間の多重反射の影響を減少した [24]．多重反射の影響を減少させる ため，アンテナと培養容器の間， 培養容器底面の下にインピーダンス整合層を挿入した．
インピーダンス整合層の材料は，TPX (ポリメチルペンテン グレード1, クレハエレクトロ ン)，複素比誘電率は2.13−j0.03 (周波数289 GHz) [76]である．インピーダンス整合層の厚 みは，入手可能な材料を用いながら，培地の入った培養容器への反射係数が十分に小さくな る厚みへ設計した．反射係数は，電磁界の入射側から培地上面側までを見込んだ多層平板モ デルを用いて求めた．このとき，多層平板モデルは，入射側からインピーダンス整合層, 培 養容器, 培地 (半無限長)の3層とした. 以上より， それぞれtIML = 1.95 mmと決めた．イ ンピーダンス整合層を挿入したときの多層平板モデルへの反射係数は−15 dB以下とした．
C.2 300 GHz 放射型ばく露装置の解析条件
300 GHz放射型ばく露装置では，回転放物面鏡と円錐ホーンアンテナからなるアンテナ部
をまず解析した．次に，培地内での内部電磁界を解析し，その波源はアンテナ部の解析結 果から得た培養容器の位置における電磁界とした．電磁界解析ソフトウェアには，FEKO (FEKO suite 7.0, EM Software & Systems-S.A. (Pty) Ltd.) を用いた．FEKOの解析手法に は，マルチレベル高速多重極法（MLFMM: Multilevel Fast Multipole Method）を用いた．
C.2300 GHz放射型ばく露装置の解析条件
MLFMMは，モーメント法に比べて，電気的に大きな構造物のフルウェーブ解析に適してい
る．培地内での電磁界解析には，FDTD法を用いた商用のソフトウェアSEMCAD X version 14.8 (Schmid & Partners Engineering AG) を用いた．
図C.2は，MLFMMでの数値解析モデルと各寸法を示す．MLFMMの解析モデルには, ア ンテナ部として，放物面鏡，ホーンアンテナと円形導波管を含めた．ホーンアンテナに給電 する円形導波管内で，周波数300 GHzの円形TE11モードを励振した．放物面鏡，ホーンア ンテナと円形導波管は，完全導体とした．
x z
x
z y Phase center Conical
horn antenna
76.2 mm
50.8 mm
50.8 mm 50 mm
Dish setting area 35 mm
(a)
(b)
21.2 mm
図 C.2. 電磁界解析(MLFMM) の解析モデル．(a) 側面図，(b) 平面図．
図C.2は，FDTD法での数値解析モデルと各寸法を示す．FDTD法の解析モデルには, 培 養容器，インピーダンス整合層を含めた．細胞層の有無によるばく露強度への影響が小さ いと仮定し， 解析モデルには細胞層を含めなかった．解析領域終端の境界条件は, UPML (Uniaxial Perfectly Matched Layer) 吸収境界条件 [50]を用いた．波源は培養容器の配置位置 (図C.2のDish setting area) 周囲での放物面鏡により反射される電磁界の3次元空間の分布 を元に空間的に内挿して構成される電磁界を入射界とした．
数値解析に用いた電気定数を表C.1に示す．培養容器の電気定数は，関東電子応用開発に
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第C章 放射型300GHzばく露装置の開発とばく露評価
図C.3. 電磁界解析 (FDTD法)の解析モデル．(a) 側面図，(b) 平面図．
よりデータ提供された周波数 60 GHzでの測定値を使用した．培地の電気定数は，文献[44]
により報告されている純水の誘電率の推定式から，温度 37◦Cとして決定した．
表 C.1. 周波数300 GHzにおけるFDTD法に使用した電気定数
比誘電率 導電率[S/m]
培地[44] 5.6 111 培養容器∗1 2.58 0.25 インピーダンス整合層[76] 2.13 0.05
∗1関東電子応用開発によるデータ提供
アンテナ入力電力は，円形導波管内での入力電力を基準として，入力可能な最大の電力15 mWとした．MLFMMに使用したメッシュサイズは，円形導波管とホーンアンテナが最小 0.02 mm，最大 0.13 mm，平均 0.07 mm，放物面鏡が最小0.03 mm，最大0.14 mm，平均0.08 mmとした．FDTD法に使用した格子サイズは，0.03 mmとし，最も比誘電率の大きい培地 内での波長 λm(≃ 0.44 mm) に対して1/15倍とした．FDTD法の時間刻み幅は， 陽解法で のCFL条件 (Courant-Friedrichs-Lewy Condition)を満足する最大の時間刻み幅に対して0.98