宿敵！パルスレーザー

質問

研究で、レーザーを用いて溶質をイオン化させ、その上下に電極を配することで電極間に流れる電流値を測定しています。このレーザーがくせものでして、レーザーのスイッチをオンにして、発振させるとすごいノイズが生じるんです。

測定電流のレベルはpAレベルで、例えばレーザーoff時には 1.00±0.05pAで、レーザーonにすると 1.00±3.00pAになってしまうんです。
（↑電極間に照射せずに、レーザーのスイッチを入れた状態の例です）

ちなみにレーザーはN2(窒素)パルスレーザーです。
このノイズをやっつける方法ってあるんでしょうか？

化学の分類に投稿していたのですが、「物理学に聞いた方が・・」という意見がありましたので物理の世界にチャレンジです。
わたしは、分析化学でレーザーを専攻していますので、「レーザー装置の中身を分解して・・・」とかいったものは、ちょっとついていけないかもしれないです。
（いえ、申し訳ありません。多分わかりません）
あつかましいとは存じますが、物理専門の方々よろしくお願いします。

回答No.10

myeyesonly · ベストアンサー

こんにちは。まだ見てるかな？
私もここの所、自宅の引越などで忙しくあまり巡回できないでいました。m(__)m

さてノイズというので高周波ノイズばかり見ていたのですが、やり取りを見てると反対のようですね。
我々の用語でいうところの基線変動というやつに近いようです。

これだと、今まで述べた対策ではちょっと無理でしょう。
いらない低周波成分をフィルタでカットするよりないと思います。

あと測定点・測定器への供給電源の安定化、電池化（フローティングといって他の電源の影響を受けなくする方法）などは考えられます。
さもなくば、測定点への電源供給を断続してそれに同期したチョッパアンプというものを使って増幅する方法しかないように思われます。

チョッパアンプ：
信号源の電源をある周波数で連続的にオン・オフをし（これをチョッパといいます）、オン時のみ入力を受付けて交流信号のように増幅し、出てくる信号波形をチョッパ信号に同期して整流して直流出力を読み取る仕掛けの増幅器。
ちょっと電気の専門の人じゃないと難しいかも。

お礼

論文作成で、どうにも手がつけられない状態なので、このへんでおひらきにすることにします。本当に色々ありがとうございました。
（また、お会いすることがあればよろしくお願いします。）

回答No.9

38endoh

> BNCコレクタっていうんですか！

　いえ，BNCコネクタ(connector)といいます。一応訂正しておきました。。。

> ノイズフィルタートランス、みせてもらいましたが、たいそうな代物ですね。

　最大電流さえしっかり計算できれば，巻数の同じトランスを秋葉原などで買って，自作できそうな気もしますが…。どうなんでしょう？＞専門の方々

　私が扱っている Nd:YAG レーザの場合，フラッシュランプ点灯後から 1 μsec も立つと，電磁波のノイズは減衰してほとんどゼロになります。kumanokoboo さんの測定系について，私はあまり理解できておりませんが，もし測定装置にゲート信号を用いることができるなら，フラッシュランプのトリガと同時にゲートを閉じ，一定時間経ったらゲートを開く，というゲート信号をパルスジェネレータか何かで発生させる，という方法もあると思います。
　いや，そこまでしなくてもオシロスコープで電流値（正確には抵抗を直列に繋いで電圧値）を直接見れば良いのかもしれませんね。オシロをフラッシュランプのトリガで同期させておいて，トリガから遠いところを読めば良いだけの話かもしれません。

　ちなみに，電磁シールドというのは電波を吸収する物質（磁性体）のことです。最近の電磁波ブームで，電磁シールドの商品はかなりの種類があります。効果の程は知りませんが…。No.2 の回答に参考 URL に入れてありますのでご覧下さい。

お礼

BNCコネクタですね！覚えました！（・・もう間違えません）

電磁シールド、勉強させてもらいました。これは、メッシュ状の網シールドですよね。なんと驚き！これも、使ったことがありました。N2レーザーのシールドに使っています。でも、質問N0.1のお礼回答に書いたように全然中途半端なシールドに使われているんですけどね。
もうちょっとこのN2レーザーのシールドを考えないといけないのかもしれません。（今使っているのより、もっといい電磁シールドでも探します）
それでは。。。

回答No.8

anisol

＞周波数の上限とは、なんのことをいっているのでしょうか

わかりにくい文章ですみません。私の文章能力はゼロですね…。

要はどのくらいの速さの電流値の変化まで見たいのかという質問だったのですが、お礼の文章から、
・見たいのは直流成分だけ
・ちゃんと平均値をとっている
とのことなので、わけがわかりません。

これはノイズはほぼ直流ということですよね。ノイズというより測定値がゆっくり変化するというような感覚でしょうか。一応思いつく原因は

・ノイズが大きすぎて取りきれない（測定器の直線性が悪いとそうなりやすいかも）
・ノイズの周期と測定器のサンプリング間隔がほぼ同じで、それらの周波数の差の周波数のノイズになった

ぐらいです。

ところで、40点のデータはどれくらいの時間間隔でとっていますか？また、それらのデータを時間を横軸、測定値を縦軸にしてグラフを描くとどんな感じでしょうか？一定の周期で波打っていたら上の2番目が怪しくなりますが…。あと、生データの範囲は1.00pAプラスマイナスどの程度に入っていますか？

すみません、質問者の方のためというより、自分自身の興味での質問になってます。（質問に触発されてnA～pAオーダの電流計を試作中…多分完成しない）

お礼

こんにちは。
うまく説明できないかもしれませんが、答えさせていただきます。

＞これはノイズはほぼ直流ということですよね。ノイズというより測定値がゆっくり変化するというような感覚でしょうか。

その通りです。わたしは、直流成分だけをみています。でも、測定値はそんなにゆっくり変化してはいません。後に述べてある質問の回答にもなりますが、40点の間隔は2秒に1点とるペースでデータをとっても、だいたい交流成分的な変化を示しています。つまり40点の電流値は一定の幅で、交互に、上がって下がって上がって・・・・という感じです。プロットすると、ノイズ型のグラフになります。
（言い忘れましたが、この40点の一点一点もパソコンのプログラムによりさらに平均した値となります。つまり、電流計は単位時間の平均値を表示→パソコン上でその平均値を単位時間とったさらなる平均値を表示→その値を40点とる・・・というながれになってます。）

質問に対する返答としては少しズレてしまっているかもしれませんが、ご了承ください。

回答No.7

anisol

ちょっと気になっているのですが、測定に必要な周波数の上限はどのくらいですか。直流成分だけ見たいときに、必要以上にピコアンメータの表示レートを上げていませんか？その場合、ノイズは交流成分だけと考えられるので、測定値を平均化するか、表示レートを下げることによってレーザーonの時の電流も1.00pAに近づくかも知れません。

お礼

御回答誠にありがとうございます。

＞測定に必要な周波数の上限はどのくらいですか。直流成分だけ見たいときに、必要以上にピコアンメータの表示レートを上げていませんか？

んん・・・申しわけないんですが、ちょっと、意味が理解できません。周波数の上限とは、なんのことをいっているのでしょうか。

この文の理解ができていないものですから、話が食い違っているかもしれませんが
測定値の平均化については、電流計はデジタル表示のものを使っておりまして、連続した単位時間の平均値を常に表示しています。そして、データを取る時には、この平均値を40点ほどとって、さらに平均したものを、そのときの電流値とし、その40点から計算した標準偏差を±としております。これで、あのようなノイズの状態なんですよ。
お暇なときでいいですので、いい知恵がありましたらまたよろしくお願いします。

回答No.6

myeyesonly

こんにちは。またやってきました。
38endoh さんのような類似経験の方のアドバイスが頂けてよかったですね。
YAG レーザーではキセノン放電管（ストロボの発光管のでかいやつ）を高電圧で放電させて発光し、その強力な光を YAG 結晶に当ててレーザー光に変換するわけで、気体放電を使う点でほぼ同一事例と考えることが可能だと思います。
また、ノイズレストランスなど本格的機材をご紹介ですが、私の紹介している物はアマチュア向け？ではないけど、比較的安価で簡単に手に入るようなシロモノです。
例えばハイインピーダンス増幅器（その道ではバッファアンプなどともいいます）は、半田ごての腕さえあれば、IC や部品、箱、秋葉原までの電車賃を含めても千円～２千円程度で作ることができます。
それ以外私が紹介したノイズ対策の機材は、パソコン店、オーディオ店などで簡単に手に入るものです。

38endoh さんも仰るように電源回りの対策では、ノイズレストランスやタップ、ノイズキラーなどで対策を講じた電源は測定器、測定点の給電以外には使わないでください。
レーザーなど他の機材の電源は元から取ります。でないとクリーン電源にした意味がなくなりますから。

それからグランドプレーンがすでに設置してあったとなると、結構きびしいですね。基本的には一緒にレーザー装置は本当は板上にない方がいいですが、測定点のすぐ裏（下？）側と測定器のすぐ下にだけ、もう一枚小さなグランドプレーンをつけてみてはどうでしょう。
このミニグランドプレーンは大きい板につなげばいいですけど大きい板の上にじかに置いてはいけません。意味がなくなります。

ただし先にも述べたようにこの方法は電源ノイズにはあまり強くないですから、電源は別に対策を取りましょう。
測定器、測定点の電源を電池駆動にするなんてのも可能なら有効な方法です。
もしもこれでノイズが軽減できないなら相当強い輻射電波によるノイズが考えられるので、電磁シールドが有効になると思います。
レーザー装置から測定器・測定点までを金属板（出来れば鉄がいい）で隔ててノイズが低減できれば、レーザー装置が輻射源と思われます。
またどこかにいらない鉄の箱、ブリキ缶（磁石がくっつく空き缶ならなんでも可）などがあったらその中に、測定器の入力端子の両端を少々長めの電線で結んでスイッチを入れた状態で入れてみてノイズレベルを見るといいでしょう。
（38endoh さんのオシロスコープと同じような話です）
もしブリキ箱に入れるとノイズレベルが下がるなら原因はこれで、マグネチックシールドが解決の糸口になるでしょう。

＃ちなみに私は研究室ではなく、病院で心電図や脳波を取る人なので、シールドルームは病院には不可欠なのです。
＃しかし、シールドルームでなくても蛍光灯のついてる一般病室でも患者さんのベッドをグランドプレーンに使うことで大抵心電図(１ミリボルト,1メガオーム位）位は取れるものです。
＃脳波レベル(数マイクロボルト、数百メガオーム位）になるとそうはいきませんけど。

毎度長文の回答失礼しました。m(__)m

お礼

風邪をひいておりました、申し訳ありません。せっかくお返事くれたのに、返さなくて・・・。
ネットは家に繋いでないものですから、ネットができるのは学校だけなんです。
病み上がりの返事なので、誤字・脱字があっても許してください。

＞レーザー装置から測定器・測定点までを金属板（出来れば鉄がいい）で隔ててノイズが低減できれば、レーザー装置が輻射源と思われます。

これなんですが、大きなアルミ板で実験してみましたところ、ノイズの低減はみられませんでした。でもですね、レーザーのスイッチをいれてレーザー光が照射しだすと明らかにノイズが増加するものですから、やっぱりレーザー装置が輻射源だとおもいます。

＞またどこかにいらない鉄の箱、ブリキ缶（磁石がくっつく空き缶ならなんでも可）などがあったらその中に、測定器の入力端子の両端を少々長めの電線で結んでスイッチを入れた状態で入れてみてノイズレベルを見るといいでしょう。

確かに、ケーブルからノイズが入っているのかもしれませんね。
ところで、電磁シールドについて少々お教え願えませんでしょうか？

＞＃ちなみに私は研究室ではなく、病院で心電図や脳波を取る人
なんと！ビックリです。病院の先生だったんですか。
おそれおおい気がしますが、がんばってくださいね。

回答No.5

38endoh

> この文章の「同軸ケーブル」と「フラッシュランプ」ってなんでしょうか？

　同軸ケーブルの説明は http://yougo.ascii24.com/gh/06/000659.html を参考にしてください。私が使用している同軸ケーブルは，オシロスコープなどと接続するために，両端に BNC コネクタ（ http://www.ampnetconnect.com/japan/metal/m_14.html ）がついています。

　フラッシュランプとは，YAGレーザなどでレーザ媒質を励起するポンプ光のことです。

> 「電源フィルター」っていったいどうゆうものなんでしょうか・・・？？？

　ブレーカーとコンセントの間に挿入するトランスで，キレイな正弦波を得るためのものかと思います。バリスタのようなサージノイズフィルターではなく，波形自体がキレイになると思います（ http://homepage2.nifty.com/takeland/Sub_9e.htm ）。

お礼

返事が遅れまして、どうもすいません
（久しぶりに風邪をひいて、寝込んでましまいました。）

まずは、お返事ありがとうございます。
同軸ケーブルって、シールド線のことなんですね。それと、あれって、BNCコレクタっていうんですか！知りませんでした。なんと・・BNCコレクタはわたしも使用しているんですよ。使っているのに、名前を知らないとは・・・こんなところで無知さをさらけだしてしまいました。（おはずかしい・・・）

ノイズフィルタートランス、みせてもらいましたが、たいそうな代物ですね。もっと単純なものかと思ってましたよ。

今日、オシロスコープでの測定を行いました。でも、装置のセッティングや測定の練習程度しか行いませんでした。
それで、38endohさんがおっしゃったように、電磁波ノイズの確認をしようと思ったのですが、先生に「壊すから、まだ、さわるな。」って言われて、何も触らせてもらえませんでした。そのうち、こっそり触ってやろうと思っています。
ありがとーございました。

回答No.4

myeyesonly

どうもたびたびすいません。m(__)m。今思い出したことがあるのでまた来ました。
測定レベルが pA 級ということなので、グランドプレーンを使う方法が有効ではないかと思います。
これは、個々の機材をシールドしてアースを取るのではなく、一枚の金属板の上に測定点と測定器をおく方法です。

測定機材や測定点部分が巨大な物でなければ、一枚の金属板の上に両方とも置き、測定器のアースは金属板に接続します。その金属板からアースコンセントに接続します。測定点にアースがある、又は測定点のシールドのアースは金属板に接続します。測定点と測定器の間にシールド線を用いた場合はシースを測定器側だけ測定器のアース、若しくは金属板に接続します。

また、金属板と測定点の間は絶縁物を介してよく、プラスチックの下敷き、ガラス版など、あるいは測定点の端子以外が絶縁物であればそのまま置いて固定します。金属板と測定点の距離が近いほど効果が大きくなります。
金属板はアルミ箔などでも構いませんが、測定器や測定点を十分カバーできる広さが必要です。また測定点と測定器の下に別々に金属板を敷いて電線で結んだのではいけません。必ず一枚の板である必要があります。

またレーザー発振機は金属板に載せる必要はありません。普通のアースだけでいいです。（電気的には繋がらないので単なる輻射雑音源と考えられる）

なお、これは電源からくるノイズには対策になりませんからそちらは別途お願いします。
（他の部屋の機材がちゃんとアースしてあれば十分対策になるんですけど）

なお38endohさんのノイズレストランスを用いる方法は入手が可能であれば電源ラインのノイズを大幅に軽減できるはずです。

また電磁シールドは輻射電波を遮るには有効ですが丁度いい磁性体シートがあるかな？

お礼

いえいえ、度々のご回答に感謝しており、とても勉強になりますよ。
一枚の板を置く方法は、グランドプレーンっていうんですか。
実は、実験装置の台には一枚の大きな金属板がしかれているんですよ。（アースコンセントにも繋げていますよ）
しかし、そんなたいそうな名前があるとは知りませんでした。
でも、レーザー装置もこの台にのせてあるんですが、のせてあっても問題はないですよね？

＞38endohさんのノイズレストランスを用いる方法は入手が可能であれば電源ラインのノイズを大幅に軽減できるはずです。

これは試してみる価値がありそうですね。でもまず、ノイズレストランスがどういうものか解らないんで、調べてからうちの技官さんに相談したいと思います。
（ちなみに、うちの技官は、学生をパシリに使うふとどきものです・・・）

回答No.3

myeyesonly

こんにちは。また来ました。m(__)m
レーザー装置を網でってのは、全くないよりマシ程度でしょうね。(^^ゞ
網だと長波長成分しかシールドできませんが、雑音出力を多少なりとも弱める働き位はしてるでしょう。

そういう時には、測定部分と測定器のシールドを厳重にします。
例えば私のやる分野で言うと、脳波や心電図をとる時は、部屋ごとシールドされた中でとります。
そういう感じでシールド箱を用意して測定部分をその中に置きます。
問題はシールド内へのレーザーの導光でしょうか。

あと、電流計の放熱ファンはいけませんね。モーターのブラシノイズが発生してる可能性が高いです。
一度測定端子を短絡して電流計のスイッチを入れ、ファンを止めた状態と動かした状態でバックグランドの測定をした方がいいかも。
それが大きいようなら電流計には箱を付けない方がいい場合もあります。

それと測定端子から電流計まではいかがでしょうか？
普通のリード線なんかで結んでませんよね？
シールド線を使い、シールド線の外側（シース）を測定器のアースにつなぎます。
また、このシースを接続するのは、測定器側だけにしてください。
もし測定端子側もアースするとグランドループという現象が発生してかえってノイズを拾ってしまいます。
もし万が一、シールド線を使ってなかったらこれだけで相当な効果が期待できると思います。

あと同じ化学やさん（主に生化学）として、化学やさんにこれを求めるのは大変辛いのですが、測定部分の信号出力点のすぐそばにハイインピーダンスの増幅器を置くと、その後ろの配線は非常にノイズに強くなります。
この方法だとノイズ対策を厳重にやるのは測定場所だけで済み、増幅器を電池で動かせば電源ノイズにも強くなります。
インピーダンス変換という測定分野ではよく使われる手法です。

もう一つ＞夜間～ですが、外来ノイズの影響だと思われます。
直射ノイズはシールドが効きますけど、電源ノイズは電源にフィルタを入れるよりありません。

ノイズ対策のされたＯＡタップなどや先にもあげたノイズキラー（フェライト、トロイダル等ともいう）は有効と思われます。
どちらもそれ程高いシロモノではないので試されるといいかも知れません。
確かノイズレスタップが２千円位、ノイズキラーは１個３～５００円位だと思います。
この場合は、コンセントからノイズレスタップやノイズキラーを入れたタップを出してそこに測定器回りだけをつなぎます。
測定点で電源が必要ならそれもここから取ります。

あと考えられるのは必要とされる周波数帯が判っている場合は信号回路にフィルターを入れる事ですが、これもちょっと辛いかな？

以上、お返事の情報から見て考えられる対策を述べてみました。まだ何かありましたらどうぞ。m(__)m

お礼

こんにちは！myeyesonlyさんのところはすごいですね。
シールド部屋があるんですか？羨ましいものです。
1年程前に、先生にシールド部屋をつくってくれません？って言ったら、「ダメ、お金かかるじゃん。」ってあっさり言われました。（・・余談です）
では本題に入ります。

まず、放熱ファンなんですが、アルミケース設計時にバックグラウンドの測定を行いました。何度がテストしたんですが、ノイズ増加の傾向はみられませんでしたので、使用している次第です。

次にシールド線、これも大丈夫です。
あと、ハイインピーダンス増幅器ってものは、なんか試しがいがありそうですね。うちの技官さんに相談してみます。（でも高価なものだったら、確実に却下されますけどね・・）

しかし、ノイズ対策の道具はいろんなものがあるんですね。初めて聞くようなものばかりなので、ちょっと勉強します。（・・・勉強不足でおはずかしいです。・・電源フィルター・ノイズレスタップ・ノイズキラーなどなど・・）

回答No.2

38endoh

私は実験で YAG レーザ，Ti:Sapphire レーザを使用しております。そのときの経験なのですが，レーザ制御装置の近くでオシロスコープに同軸ケーブルを差し込むと，その同軸ケーブルの逆の端が未接続のままでも，フラッシュランプに同期したノイズが確認できます。同軸ケーブルを抜くとそのノイズはほとんどなくなるため，同軸ケーブルがアンテナ代わりになって，レーザ制御装置から発生した電磁波をノイズとして拾っているのだと思いました。

　kumanokoboo さんのケースも電磁波かどうかはわかりませんが，もしお手元にオシロスコープがあるなら，同様の方法でノイズ源が電磁波かどうかを調べられると思います。もし電磁波ならその周波数を調べ，周波数帯域にあった電磁波吸収材料で測定系を覆えば，特にアースを気にしなくてもノイズをカットできるかもしれません。

　あと私の場合は，測定装置系の電源フィルターに，トランスを利用した電源ノイズフィルタを利用しております。参考になるかどうかわかりませんが…。

　私は専門が化学ですので，内容にはあまり自信がありません。変な箇所があれば，ご指摘ください。＞専門の方々

参考URL：

http://www.otona.ne.jp/denjiha.htm

お礼

ご回答誠にありがとうございます。
38endohさん！すごい良いタイミングで回答くれましたね。
なぜなら、来週の月曜日からオシロスコープを使ってみるんですよ。
しかしですね、今まで使ったことなかったんでちょっと意味がわからないんですよ（申し訳ありません・・頭がよろしくないものですから・・・）。
お手数でなければ、教えてくれませんでしょうか？

＞レーザ制御装置の近くでオシロスコープに同軸ケーブルを差し込むと，その同軸＞ケーブルの逆の端が未接続のままでも，フラッシュランプに同期したノイズが確＞認できます。

この文章の「同軸ケーブル」と「フラッシュランプ」ってなんでしょうか？
それと
「電源フィルター」っていったいどうゆうものなんでしょうか・・・？？？
お暇なときでいいです。教えてください。

回答No.1

myeyesonly

こんにちは。
窒素レーザーだとガス中の放電現象を利用したものですから、放電ノイズの発生は不可避だと思われます。
蛍光灯と同じようなものですね。

１．ノイズ源を取り去る。
　具体的には半導体レーザーなどは使えないでしょうか？
　半導体レーザーも発振ノイズが出ますが、放電ノイズよりも対策が取りやすいかもしれません。

２．発生するノイズを遮断する。
　レーザー装置、測定部分を金属板などで覆い（シールドする）アースコンセント等につなぎ電源ラインにノイズ防止付きのコンセント（テーブルタップ）等を用いるか、ノイズキラーなどをはめ込む。
　ノイズキラー：パソコン等の機材の電源コードの付け根に付いている丸い円筒形のもの。オーディオショップや東急ハンズ、電子部品店などで入手可能。

３．アースをとる
　測定器のアース、レーザーのアース、測定部分のシールドのアースをつなぐ必要があります。

この位がノイズ対策の基本かと思いますが、ノイズ除去というのは専門家でも結構難しいものです。

私もミリボルト～マイクロボルト単位の生体電位の計測をやる人なので、補足を頂けば少しは答えられるかもしれません。

お礼

こんにちは！！お返事ありがとうございます。やはりノイズ除去は難しいようですね。
myeyesonlyさんのおっしゃるノイズ対策について

(1).そうなんですか。耳寄りな情報ですね。うちの研究室に半導体レーザーはあるにはあるのですが、すでに使用者がいまして、セッテングの問題もあって断念せざるをえません。（一応、お願いしてみょっかなぁ・・・）

(2).これはすでに対応済みなんですが、おそらく完璧ではないです。

まず、電流計をアルミケース（自作のアルミ板で作った箱です）にいれているんですが、完全に密閉すると熱がこもりますので、アルミケースのサイドに穴を確保し、ファンを取り付けています。それとケーブルを通す穴も設けてありますので完全密閉ではないのです。でもこれらの穴は、最低限のサイズにしています。やはり完全密閉でないと意味がないのでしょうか？？
　次に、レーザー装置は熱がこもると故障しかねないので、ステンレス網のケースで囲んでいます。ただし、これは、フロントだけシールドされていません。なぜかと言いますと、前も囲むとレーザー光を遮断しかねないのとレーザー開閉のスイッチがフロントにあるためです。このシールド方法ってちょっと中途半端過ぎますかね？

(3).これもすでに対策済みです。

んーーー。頭がいたいものです・・・
それと、レーザー以外でもノイズが生じるんです。
昼実験するのと深夜実験するのでは、深夜の方が電流値がえらく安定します。もちろんそうでない場合もあるんですけど、昼より安定していることの方が多いです。
これって、他の研究室（上の階や下の階、隣の部屋など）の機器から生じているって考えられないでしょうか？(夜はヒトが少ないから・・・)