[論文レビュー] An improved method to measure microwave induced impulsive forces with a torsion balance or weighing scale

Chris P. Duif|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、被試験装置（例：EmDrive）に直接的な電気的接続を設けずにマイクロ波エネルギーを供給する、調整可能な結合キャビティを用いた接触なしマイクロ波電力送達法を提案する。マイクロ波源と力測定システム（ねじり秤またはスケール）を分離することで、熱的および電磁的干渉を低減し、最大15 Wの入力で75%以上の電力伝送効率（−1.3 dB損失）と、10−5 N未満の微小な干渉力が達成された。これは、異常な推力実験における測定精度を顕著に向上させる。

ABSTRACT

A novel method is presented for measuring impulsive forces generated by devices which are fed with medium power microwave signals. The forces are measured with a torsion balance or weighing scale, as usual, but the microwave signal is coupled directly to the device under test via a special coupling cavity instead of being generated on the measurement device. The method was verified at power levels up to 15 W, has a transmission of at least 75% (-1.3 dB attenuation) and is shown not to exert disturbing forces at this power level (vertical forces smaller then 10 micronewton). The application of this way of supplying microwave signals could significantly improve experiments which otherwise suffer from heat dissipation and Lorentz forces by components present on the force measurement device. A particular field of application, where previous research has failed to prove or disprove the existence of certain anomalous forces, is discussed.

研究の動機と目的

• マイクロ波誘発のインパulse力の測定における実験的不確実性、特にEmDrive型実験における不確実性を解消すること。
• 装置内に搭載されたマイクロ波部品および直流電流が力測定装置に及ぼす熱放射およびローレンツ力の除去。
• 測定感度を維持したまま、被試験装置への高精度で接触なしのマイクロ波電力供給を可能にする手法の開発。
• 外部干渉要因を最小限に抑えることで、異常推力デバイスに関するより信頼性が高く再現性のある実験を可能にすること。

提案手法

• 特別に設計された結合キャビティが、接触しない可動プレートを備えた可変帯域幅フィルタとして機能し、物理的接続なしにマイクロ波電力を伝送する。
• マイクロ波電力は外部で発生させ、接触しないプレートを通じた磁気結合によって試験キャビティに結合される。
• 方向性 coupler とバッテリー駆動の光検出式電力センサを用いて、前方および反射電力をモニタリングし、電気的干渉を回避する。
• 必要に応じて、結合キャビティの壁からの熱放射を管理するため、水冷式マントルが使用される。
• 電磁放射および外部干渉を最小限に抑えるようにキャビティが設計され、余分な放射を抑えるためにマイクロ波吸収材が使用される。
• 測定装置に無線制御システムや磁気部品を必要とせず、周波数および電力の精密制御が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的な電気的接続なしにマイクロ波電力を力測定装置に供給可能であり、熱的および電磁的干渉が低減できるか？
• RQ2 最大15 Wの入力電力において、結合キャビティがねじり秤またはスケールに測定可能な干渉力（推進力に影響する力）を及ぼすか？
• RQ3 高い電力伝送効率（75%以上）を達成しながら、熱生成および測定プラットフォーム上のローレンツ力を最小限に抑えることができるか？
• RQ4 接触なし結合法が、共鳴マイクロ波キャビティ内での異常推力測定の信頼性および正確性をどの程度向上させるか？
• RQ5 この方法を用いて、運動量保存則に反しない条件下でEmDriveが主張する純粋推力の有効性を検証可能か？

主な発見

• 結合キャビティは、75%以上の電力伝送効率（−1.3 dB損失）を達成した。さらに結合ループの最適化により、約0.5 dBの改善が可能である。
• 測定装置に及ぼされる電磁的干渉力は、15 W入力時において10−5 N未満であり、無視できるほど小さいことが確認された。
• 従来のマイクロ波アンプを搭載した装置と比較して、測定装置への熱放射が1〜2桁減少した。
• 本手法により、マイクロ波源と測定システムが明確に分離され、直流電流に起因するローレンツ力が完全に排除され、測定プラットフォームの質量が数kg軽量化された。
• マイクロ波漏れが発生しても、バランスの電子回路に顕著な電磁干渉が観察されず、実用的運用における耐障害性が裏付けられた。
• 本システムは、さまざまな周波数および電力レベルで安定した動作を示し、最大数100 Wまで、100 MHz〜20 GHzの周波数範囲で使用可能であると示された。