特表 2024-544407 指向性エネルギーによるボーリング孔の削孔のための連続排出モニター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-29

(54)【発明の名称】指向性エネルギーによるボーリング孔の削孔のための連続排出モニター

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/71 20060101AFI20241122BHJP

【ＦＩ】

G01N21/71

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537003

(86)(22)【出願日】2022-10-18

(85)【翻訳文提出日】2024-08-05

(86)【国際出願番号】 US2022078254

(87)【国際公開番号】W WO2023122371

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】63/291,744

(32)【優先日】2021-12-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】596060697

【氏名又は名称】マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100107984

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 雅紀

(74)【代理人】

【識別番号】100182305

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 鉄平

(74)【代理人】

【識別番号】100096482

【弁理士】

【氏名又は名称】東海 裕作

(74)【代理人】

【識別番号】100131093

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 真

(74)【代理人】

【識別番号】100150902

【弁理士】

【氏名又は名称】山内 正子

(74)【代理人】

【識別番号】100141391

【弁理士】

【氏名又は名称】園元 修一

(74)【代理人】

【識別番号】100221958

【弁理士】

【氏名又は名称】篠田 真希恵

(74)【代理人】

【識別番号】100192441

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 仁

(72)【発明者】

【氏名】ウォスコフ ポール ピー．

【テーマコード（参考）】

2G043

【Ｆターム（参考）】

2G043AA01

2G043BA02

2G043BA03

2G043BA04

2G043BA05

2G043CA01

2G043EA08

2G043GA02

2G043GA04

2G043GA19

2G043HA02

2G043HA05

2G043JA01

2G043KA01

2G043KA02

2G043KA03

2G043NA13

(57)【要約】

ボーリング孔からの排出を、ボーリング孔から除去された土質材料の組成を決定するために、監視するための装置および方法が記載される。監視は、ボーリング孔がミリ波掘孔ビームで深化している際に、リアルタイムで行われ得る。本技術は、土質材料（例えば、岩石、鉱物、結晶、金属など）の元素組成を、土質材料をその経路で溶融および気化させる指向性エネルギービームによって作成されたボーリング孔内でリアルタイムに監視することができる。連続排出モニター（ＣＥＭ）を、ボーリング孔の指向性エネルギー採掘と組み合わせて使用することで、貴金属および商業用金属の表面を迅速に調査し得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームにより削孔されたボーリング孔からの排出を監視する方法であって、
プラズマチャンバ内で、前記ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームにより土質材料を気化させることによって生成される排気ガスを受容すること、
前記プラズマチャンバ内で、プラズマおよび前記プラズマからの光放射を生成するために、前記排気ガスを電磁放射で加熱すること、
分光器により、前記光放射の分光測定を行うこと、および
前記光放射の前記分光測定に基づいて、前記排気ガスの組成を決定すること、を含む、方法。

【請求項2】

前記プラズマチャンバ内で、前記ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームを作製するために使用されるミリ波放射の部分を受容すること、および
前記プラズマを生成する前記電磁放射を提供するために、前記ミリ波放射の部分を集束させること、をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ボーリング孔の底部からの、前記ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームの反射光から返された前記ミリ波放射の前記部分を採取すること、をさらに含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記分光器を較正することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記分光器を較正することは、
エアロゾルを、較正源から前記プラズマチャンバに導入することであって、前記エアロゾルは、既知の量の元素を、前記較正源から前記プラズマに供給する、前記導入すること、
前記エアロゾルが前記プラズマ内に存在する間に、前記プラズマからの光放射レベルを測定することであって、前記光放射レベルが、前記元素の量を示す、前記測定すること、および
前記光放射レベルから、前記排気ガス中の前記元素の量を決定すること、を含む、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

土質材料を気化させることによって生成される前記排気ガスを受容することは、粒子を、ガス流により、前記ボーリング孔から前記プラズマチャンバに接続された試料管に受容することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームによって生成されるボーリング孔内の土質材料の組成を監視するためのシステムであって、
排気ガスを前記ボーリング孔から受容し、前記ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームを作製するために使用されるミリ波放射の部分を受容するための、プラズマチャンバであって、プラズマ発光の光放射を生成するために、前記ミリ波放射の前記部分により、前記排気ガスを加熱するように構成される、前記プラズマチャンバと、
前記プラズマからの前記光放射のスペクトルを測定するための、前記プラズマチャンバと電磁連通する分光器であって、前記スペクトルが、前記ボーリング孔内の前記土質材料の前記組成を示す、前記分光器と、を備える、システム。

【請求項8】

前記排気ガスを前記ボーリング孔から受容するための、前記プラズマチャンバに接続された試料管または試料ポートと、
少なくとも前記排気ガスを前記プラズマチャンバから排気するための、前記プラズマチャンバに接続された排気管または排気ポートと、をさらに備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記試料管または試料ポートは、少なくとも８００°Ｃの温度に耐える材料で作製される、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記分光器は、０．０２ｎｍ以上のスペクトル分解能で、２０ｎｍの帯域幅および２００ｎｍ～８００ｎｍの領域の中心波長を有する少なくとも一つの帯域を監視するように構成された格子分光器である、請求項７に記載のシステム。

【請求項11】

前記ミリ波放射の前記部分をスポットに集束させるための、前記プラズマチャンバ内に配置されたミラーと、
前記排気ガスを前記ボーリング孔から前記スポット近傍の前記プラズマチャンバに放出するための、前記プラズマチャンバに延在する、試料管と、をさらに備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項12】

前記プラズマチャンバに接続され、前記光放射を前記スポットから受容し、前記光放射を前記分光器に誘導するように配設された光ファイバーケーブルをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記分光器の較正のためのエアロゾルを、前記プラズマチャンバに提供するための、前記プラズマチャンバと流体連通する較正源をさらに備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項14】

前記ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームを形成するために、前記ミリ波放射を前記ボーリング孔の底部に誘導する伝送線の外部で、前記ミリ波放射の前記部分を結合するために、前記プラズマチャンバと電磁連通する反射電力アイソレータをさらに備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項15】

ボーリング孔を削孔し、前記ボーリング孔からの排出を監視するためのシステムであって、
高出力ミリ波（ＭＭＷ）源と、
ＭＭＷ放射を前記ＭＭＷ源から前記ボーリング孔まで運ぶ導波路と、
前記ボーリング孔が前記ＭＭＷ放射から形成されたＭＭＷ掘孔ビームで深化されている間に、前記ボーリング孔を封止し、排気ガスを前記ボーリング孔から捕捉するための排気配管と、
前記排気ガスから採取された排気後流を受容するための、前記排気配管と流体連通するプラズマチャンバと、
前記排気後流から前記プラズマチャンバ内に形成されたプラズマからの排出を検出するための、前記プラズマチャンバと電磁連通する分光器と、を備える、システム。

【請求項16】

前記ＭＭＷ源によって生成される前記ＭＭＷ放射の部分を前記プラズマチャンバに結合するための、前記プラズマチャンバと電磁連通する反射電力アイソレータをさらに備える、請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

前記ＭＭＷ放射の前記部分を、前記プラズマチャンバ内部のスポットに集束させるための、前記プラズマチャンバ内に配置されたミラーと、
前記排気後流を前記スポット近傍の前記プラズマチャンバに放出するための、前記プラズマチャンバに延在する、試料管と、をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記プラズマチャンバに接続され、光放射を前記スポットから受容し、前記光放射を前記分光器に誘導するように配設された光ファイバーケーブルをさらに備える、請求項１７に記載のシステム。

【請求項19】

前記分光器は、０．０２ｎｍ以上のスペクトル分解能で、２０ｎｍの帯域幅および２００ｎｍ～８００ｎｍの領域の中心波長を有する少なくとも一つの帯域を監視するように構成された格子分光器である、請求項１５に記載のシステム。

【請求項20】

前記分光器の較正のためのエアロゾルを、前記プラズマチャンバに提供するための、前記プラズマチャンバと流体連通する較正源をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照 本出願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づき、２０２１年１２月２０日出願の「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔｅｄ－Ｅｎｅｒｇｙ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ」と題する米国特許出願第６３／２９１，７４４号に対する優先権の利益を主張するものであり、この出願は、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
政府支援
本発明は、エネルギー省が与えた付与番号ＤＥ－ＡＲ０００１０５１に基づいて、政府支援によって実施された。政府は、本発明において特定の権利を有する。

【背景技術】

【0002】

マイクロ波またはミリ波（ＭＭＷ）周波数での高出力指向性エネルギービームは、とりわけ、地熱エネルギーの発生および採鉱のために、岩石にボーリング孔を削孔するために使用され得る。これらの削孔ビームは、岩石を数千°Ｃに加熱し、岩石を溶融および気化させる。気化された岩石は、高圧ガスにより、ボーリング孔から外に表面まで噴出され得、これによりまた、ボーリング孔の崩壊が防止される。

【発明の概要】

【0003】

本技術は、土質材料（例えば、岩石、鉱物、結晶、金属など）の元素組成を、土質材料をその経路で溶融および気化させる指向性エネルギービームによって生成されるボーリング孔内で、リアルタイムで監視し得る。このような高温削孔プロセスの採収物／排気は、典型的には、１０００°Ｃ超の温度であり、連続排出モニター（ＣＥＭ）によって分析され得る小さい粒子および蒸気を含み得る。ＣＥＭを、ボーリング孔の指向性エネルギー採掘と組み合わせて使用することにより、貴金属および商業用金属の表面の迅速な調査が可能になる。ある実装形態において、指向性エネルギーによるボーリング孔の貫通のためのＣＥＭでは、指向性エネルギービームの一部が使用され、採収排出物を励起して、元素を、ボーリング孔部位でリアルタイムに同定するために検出可能にする。

【0004】

ＣＥＭは、以下のように、ＭＭＷ指向性エネルギービームで削孔されたボーリング孔を監視し得る。土質材料を、ミリ波指向性エネルギービームで気化させることによって生成される排気ガスは、プラズマチャンバに方向付けられる。プラズマチャンバでは、排気ガスは、プラズマ状態に加熱され、これは、排気ガス成分を励起して、光放射を生成する。定期的に較正され得る分光器は、プラズマ発光の分光測定を行う。その後、この分光測定を使用して、排気ガスの組成を決定する。

【0005】

プラズマは、ＭＭＷ指向性エネルギービームに関連するＭＭＷ放射の一部により、プラズマチャンバ内で発生され得る。ミリ波ＭＭＷ放射のこの部分は、ボーリング孔へ、またはボーリング孔から移動するＭＭＷ放射の反射光から採取され得る。土質材料をＭＭＷ放射の一部により気化させることによって生成される排気ガスをプラズマチャンバに方向付けることは、粒子を、ボーリング孔から、プラズマチャンバに接続された試料管まで、ガス流で噴出させることを伴い得る。

【0006】

ミリ波指向性エネルギービームによって生成されるボーリング孔内の土質材料の組成を監視するためのＣＥＭは、プラズマチャンバおよび分光器を含み得る。プラズマチャンバは、指向性エネルギービームを形成するために使用されるミリ波放射の部分により生成され、ボーリング孔から排出された気化されたガスおよび粒子を加熱するプラズマを含む。プラズマチャンバと電磁連通する分光器は、プラズマチャンバからの発光スペクトルを測定する。このスペクトルは、ボーリング孔から採収された土質材料の組成を示す。

【0007】

分光器は、０．０２ｎｍ以上のスペクトル分解能で、２０ｎｍの帯域幅および２００ｎｍ～８００ｎｍの領域の中心波長を有する少なくとも一つの帯域を監視するように構成された格子分光器であり得る。

【0008】

ＣＥＭはまた、ＭＭＷ指向性エネルギービームの部分をスポットに集束させるための、プラズマチャンバ内に配置されたミラーと、蒸気および粒子を、ボーリング孔からスポット近傍のプラズマチャンバに放出するための、プラズマチャンバに延在する試料管と、を含む。ＣＥＭはまた、較正試料をプラズマチャンバに提供するために、プラズマチャンバと流体連通する較正チャンバを含み得る。ＣＥＭは、ＭＭＷ放射をボーリング孔の底部に誘導する伝送線の外部で、ＭＭＷ放射の部分を結合するために、プラズマチャンバと電磁連通する反射電力アイソレータをさらに含み得る。

【0009】

前述の概念および以下でより詳細に論じる追加的概念の全ての組み合わせは（このような概念が相互に矛盾しないという前提で）、本明細書に開示される本発明の主題の一部であると想定される。特に、本開示の最後に記載される、特許請求の範囲に記載の主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示する発明の主題の一部であると想定される。参照により組み込まれるあらゆる開示に記載され得る、本明細書に明示的に用いられる用語は、本明細書に開示される特定の概念と最も一致する意味が与えられる必要がある。

【図面の簡単な説明】

【0010】

図面は、例示的な目的を主とし、本発明の主題の範囲を制限することを意図していない。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、一部の事例では、本明細書に開示される本発明の主題の種々の態様は、異なる特徴の理解を促進するために、図面中で誇張または拡大されて示される場合がある。図面では、同様の参照文字は、同様の特徴（例えば、機能的に類似したおよび／または構造的に類似した要素）を、一般的に指す。

【0011】

【図1】図１は、ボーリング孔の採収物／排気のための連続排出モニター（ＣＥＭ）による、ミリ波（ＭＭＷ）指向性エネルギー掘孔システムを示す。

【0012】

【図2】図２は、図１のシステム内の主な指向性エネルギー掘孔ビームから採取された出力を使用して、ボーリング孔の採収物／排気の一部の原子発光を励起するためのプラズマチャンバを示す。

【0013】

【図3】図３は、図２のプラズマチャンバに結合され得る較正源を示す。

【0014】

【図4】図４は、微細スペクトル分解能により、多くの元素からの原子発光を同時に監視するための格子分光器を示す。

【0015】

【図5】図５は、回折格子分光器のパラメータを示す。

【0016】

【図6A】図６Ａは、土質材料に含まれ得る様々な元素に対する、約２４０ｎｍのスペクトル放射を列挙する。

【0017】

【図6B】図６Ｂは、土質材料に含まれ得る様々な元素に対する、約３２０ｎｍのスペクトル放射を列挙する。

【0018】

【図6C】図６Ｃは、土質材料に含まれ得る様々な元素に対する、約３４６ｎｍのスペクトル放射を列挙する。

【0019】

【図6D】図６Ｄは、土質材料に含まれ得る様々な元素に対する、約３９８ｎｍのスペクトル放射を列挙する。

【発明を実施するための形態】

【0020】

１．ミリ波指向性エネルギー掘孔システム
図１は、ボーリング孔１１０からの排気を分析するためのプラズマチャンバ１９０を有するミリ波（ＭＭＷ）指向性エネルギー掘孔システム１００を示す。システム１００は、０．１～２．０ＭＷの出力レベルでの３０～３００ＧＨｚの周波数域で高出力ミリ波放射１０３を生成する、ジャイロトロンなどの高出力ＭＭＷ源１２０を含む。高出力ＭＭＷ放射は、この高出力ＭＭＷ放射１０３をボーリング孔１１０の底部に誘導する高出力伝送線１３０または導波路に結合される。高出力伝送線１３０または導波路は、銅などの導電性材料を含み得、またはそれらから形成され得る。マイターベンド１３２は、伝送線１３０を折り畳んで、高出力ＭＭＷ放射１０３を第一の方向から第二の方向まで（例えば、水平方向からボーリング孔１１０への下向きの垂直方向までの移動）リダイレクトするために使用され得る。高出力ＭＭＷ掘孔ビーム１０５は、伝送線１３０の遠位端から発射される場合、土質材料をボーリング孔１１０の底部で溶融および気化させることによって、ボーリング孔１１０の直径が伝送線１３０よりも大きくなるように回折し、排気流１４５内の気化された土質材料の採収または排出のための環状空間を作成する。

【0021】

高出力伝送線１３０は、ガス１３５をボーリング孔１１０の底部に誘導もする管として形成され得る。大気圧付近（例えば、１５～１５０ｐｓｉ）では、ガスは、空気、窒素、水素、メタン、または二酸化炭素とすることができる。超臨界流体状態（例えば、＞２，０００ｐｓｉ）への高圧では、ガス１３５は、アルゴンなどの希ガスとすることができる。ガスは、伝送線ガスマニホールド１３７を介して、高出力伝送線に注入される。注入ガス１３５は、ミリ波放射１３０に対して透過的であり、アーク放電を防止するのに十分な圧力および速度にある。ガスは、蒸気および気化された土質材料の小さい粒子（例えば、直径１０μｍ未満）を、排気流１４５として高出力伝送線１３０の遠位端１３８を囲む環状空間から外に噴出させる。

【0022】

ボーリング孔１１０は、排気配管１１２および貫通型導波路シール１１４によってキャップされる。貫通型導波路シール１１４は、ボーリング孔１１０を封止し、排気流１４５を、排気配管１１２を通って方向付ける。高温排気環境（例えば、少なくとも８００°Ｃまたは少なくとも１０００°Ｃの温度）で存在し得る、インコネルまたはアルミナなどの金属またはセラミックで作製された試料管１４６は、ボーリング孔１１０から導かれるように、排気配管１１２に挿入され、排気流１４５の一部を、プラズマチャンバ１９０への後流として方向転換させる。試料管１４６は、ボーリング孔１１０の近くにあり得、またはボーリング孔からある程度離れて位置し得、ガスを、必要に応じて冷却可能にする。試料管１４６は、プラズマチャンバ１９０上の試料ポートに接続し得、ガスをプラズマチャンバに流入可能にする。プラズマチャンバ１９０への排気後流量は、５～２５ｍｌ／分の範囲内であり得る。排気後流は、総排気流の０．０１％、０．００１％、または０．０００１％未満であり得、これは、１０００ｓｃｆｈ（４７０Ｌ／分）より大きくなり得る。排気後流は、潜在的に商業的価値のある埋蔵資源を見出すための、排気流全体の均質または均一な試料となり得るが、そうである必要はない。

【0023】

後流からの排気ガスおよび粒子がプラズマチャンバ１９０に入る際に、それらはＭＭＷ放射によってイオン化および加熱され、プラズマを形成する。ＭＭＷ放射１０３の部分は、（例えば、出力カプラーを用いて）採取され得、プラズマチャンバ１９０に方向付けられ得、後流内の粒子を分解、加熱、および気化させ、結果生じるガスを励起する。一部の事例では、採取された放射は、ガスパージ入口１２７を通ってプラズマチャンバに注入されたガスを励起し得る。集束ＭＭＷ放射１０３からの強力な電界により、ガス分子がイオン化され得、電子が加速され得、プラズマチャンバ１９０内のガスを励起する。ガスのプラズマへの励起により、排気流１４５内の構成要素の分光測定、分析、および決定のための光放射が生成され得る。

【0024】

高出力ＭＭＷ放射１０３の部分（例えば、約１～３ｋＷ）は、採取用伝送線１３１によってプラズマチャンバ１９０に誘導される。一部の実装形態では、反射電力アイソレータ１８０は、ボーリング孔１１０の底部の溶融標的から再度反射された出力を採取するために、図１に示すように、高出力伝送線１３０に沿って挿入され得る。反射電力アイソレータ１８０と採取用伝送線１３１との間の界面またはその近傍の窓シール１２５およびガスパージ入口１２７は、プラズマチャンバ１９０から高出力伝送線１３０へのプラズマ伝播を防止する。

【0025】

分光器１８５は、プラズマチャンバ１９０内のプラズマからの光放射を分析して、ボーリング孔１１０からの気化された土質材料の元素組成の表示を提供する。光ファイバーケーブル１９５は、プラズマによって放射される赤外線（ＩＲ）、可視光、および／または紫外線（ＵＶ）を、プラズマチャンバ１９０から分光器１８５に伝送する。分光器は、１０μｇ／ｍ^３よりも良好な感度で、気化された土質材料の元素組成を決定するために、放射スペクトルを、十分微細に十分な感度により解像する。

【0026】

プラズマチャンバ１９０および分光器１８５は、試料管１４６に接続される較正源１９７により、較正され得る。較正源１９７は、ボーリング孔１１０からの排気流１４５内の元素濃度の較正のためのスパン信号を提供するために、コマンドに基づいて、対象の既知濃度の元素を注入する。較正中、排気流１４５は、試料管１４６内の制御バルブ１４８により、プラズマチャンバからバルブオフされ得、またはバルブオフされ得ない。あるいは、制御弁１４８は、ガスを較正源からバルブオフするために使用され得、またはそうでなくてもよい。一部の事例では、制御弁１４８は、システムに含まれなくてもよい。対象の元素としては、銅、ニッケル、またはリチウムなどの商業的価値のある金属、および金、白金、または銀などの貴金属が挙げられるが、これらに限定されない。較正は、ボーリング孔１１０を深化する際に、例えば、高出力ミリ波掘孔ビーム１０５によって貫通される、異なる岩層の化学物質による排気流１４５の潜在的に変化する組成を明示するために、定期的にまたは要求に応じて、リアルタイムで実施され得る。土質材料層の化学的性質の変化は、プラズマ電子の温度および密度を変更することによって、原子発光励起のプラズマ効率に影響を与え得、これは次に、電子原子励起効率を変更し得る。

【0027】

マイターベンド１３２に結合された任意の監視機器１７０は、高出力伝送線１３０に沿って高出力ミリ波放射１０３と共伝播する小信号監視信号（図示せず）を用いて、ボーリング孔１１０の深さおよび／または掘進率を監視し得る。監視信号は、パルス状、チャープ状、または一定の周波数であり得、高出力ミリ波放射１０３とは異なる周波数であってもよい。監視信号は、ボーリング孔１１０の底部の岩面または材料に反射し得る。この反射は、高出力伝送線１３０を監視機器１７０に伝搬し、これは、局部発振器との反射の干渉を感知する。干渉は、ボーリング孔１１０の深さおよび／または掘進率を導出するために使用され得る。監視器具のさらなる詳細は、２０２１年１２月２０日出願の「Ｒａｔｅ ｏｆ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ／Ｄｅｐｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｆｏｒ ａ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－Ｗａｖｅ Ｂｅａｍ ｍａｄｅ Ｈｏｌｅ」と題する米国特許出願第６３／２９１，７３１号、およびその対応する、同時出願された「Ｒａｔｅ ｏｆ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ／Ｄｅｐｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｆｏｒ ａ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－Ｗａｖｅ Ｂｅａｍ」と題する非仮国際出願（代理人整理番号ＭＩＴ－２３０６２ＷＯ０１）に記載され得、両方の出願は、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。

【0028】

２．プラズマチャンバ
図２は、プラズマチャンバ１９０をより詳細に示す。プラズマチャンバ１９０は、高出力ＭＭＷ放射１０３の採取部分１０４および排気後流２０２が導入される、気密のミリ波電力漏洩密封エンクロージャである。ミリ波放射１０３は、ＭＭＷ放射１０３を、幅が約２～４波長の回折制限されたスポット２２０に集束させる集束ミラー２１０に向かって、プラズマチャンバ１９０の自由空間に発射される。これにより、スポット２２０の電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍ以上に増加され、プラズマ２０５を発生および維持する。

【0029】

試料管１４６は、プラズマチャンバ１９０の途中まで通過する。その出力開口１４９は、ＭＭＷ放射１０３が、集束ミラー２１０から反射した後に、形成する集束スポット２２０の近似縁にある。排気ガス後流２０２は、試料管１４６を出て集束スポット２２０に入り、集束ＭＭＷ放射１０３およびプラズマ２０５（一旦存在すると）は、排気後流２０２を加熱し得る。加熱により、粒子は、後流２０２内に存在する場合、分解しやすくなり得る。加熱された排気はまた、プラズマ２０５を集束スポット２２０で後流２０２に固定するために、熱電子放出体として作用し得る。テスラコイルまたはアンテナワイヤから開始スパークを使用し得、分解を低温始動から開始する。

【0030】

光ファイバーケーブル１９５は、プラズマチャンバ１９０内の小さい孔を通って導入されて、プラズマ２０５を視認し、ＩＲ光、可視光、および／またはＵＶ光放射を、分析用の分光器１８５に伝送する。

【0031】

出力排気管２３０は、ガスをプラズマチャンバ１９０から最終排気まで方向付ける。出力排気管２３０は、試料管１４６および採取用伝送線１３１からのガス入力よりもわずかに低い圧力に維持される。出力排気管２３０はまた、ミリ波モード変換を誘導するようにねじれ、高次モードを効率的に吸収するために、ミリ波の不透明な誘電体および／または低電気伝導率の金属で作製される。吸収材料のねじれおよびその使用により、ミリ波出力がプラズマチャンバ１９０から環境に伝播することが低減または防止される。

【0032】

３．較正源
図３は、ボーリング孔排気流１４５内の元素の濃度をより詳細に定量的に監視するための較正源１９７の実施例を示す。較正源１９７は、監視される元素の既知の濃度が、例えば、１００μｇ／ｍ^３であるエアロゾル３０５を、排気後流２０２に定期的に導入し、未知の原子発光レベルに一致するスパン較正を提供する。

【0033】

較正源１９７は、以下のように、エアロゾル３０５を生成し得る。例えば、弱酸溶液中の各元素の濃度が２００μｇ／ｍｌである、監視される元素の較正された標準溶液３１０は、約１ｍｌ／分の公称速度で、蠕動ポンプ３２０によってネブライザー３３０（例えば、Ｍｉｅｎｈａｒｄネブライザー）にポンプ注入される。ネブライザー３３０は、シリンダ３４０または他の供給源およびガス流量コントローラ３５０からの圧縮ガス流（例えば、約１ｌ／分の流量の窒素）により操作される。ネブライザー３３０は、液体標準溶液３１０を、噴霧チャンバ３６０によって大きい液滴で濾過されるエアロゾルに変換する。濾過された液滴が大きい液体は、密封接続によって、噴霧チャンバ３６０に取り付けられる廃液容器３７０に回収される。

【0034】

排気後流２０２に注入される標準溶液元素の濃度は、定量的監視のために正確に既知であるべきである。濃度Ｃは、以下の式によって、決定され得る。

【数1】

ここで、εは、ネブライザー３３０の効率であり、Ｘは、較正された溶液３１０の濃度であり、Ｒは、試料管１４６にポンプ注入される溶液および排気後流２０２の比率であり、Ｆは、試料管１４６の出力開口部１４９からプラズマ２０５への後流２０２の流量である。標準溶液濃度は、既知であり、ポンプ注入された溶液の比率は、制御され、試料排気流は、測定され得、特定のネブライザーモデルの効率は、独立して決定され得る。したがって、濃度Ｃは、式１から算出され得る。

【0035】

４．分光器
イオン化原子ではなく、中性原子からの原子発光は、局所的な熱力学的平衡が原子をイオン化し得る高エネルギー電子の数を抑制するため、１ｅＶ未満の典型的な電子温度により、大気圧プラズマからの発光スペクトルを支配し得る。表１は、ＵＶ光波長領域の金属および希土類元素に対する、空気中の顕著な中性原子発光波長の一部を列挙する。これらの波長に対して微細な分解能を有する分光器１８５は、プラズマ中の種を区別するために、使用され得る。発光スペクトル領域にわたって、０．０５ｎｍよりも良好なスペクトル分解能が望ましい。分光器１８５はまた、可能な限り多くの元素を網羅するように、広いスペクトル領域を有し得る。

【表1】

表１．金属および希土類元素に対する、顕著なＵＶ光原子発光波長

【0036】

図４は、微細なスペクトル分解能による、排気後流２０２（図２）中の多くの元素からの排出を監視する分光器１８５を示す。分光器１８５は、入口スリット４０５と、凹形入力ミラー４１０と、格子４２０と、いくつかの凹形出力ミラー４３０と、いくつかの線形検出器アレイ４４０と、を含む。（同様の性能は、狭い波長領域を有する多くの小型の分光器で達成され得る。）図４は、三つの凹形出力ミラー４３０および線形検出器アレイ４４０を示すが、他の分光器は、より多くのまたはより少ない凹形出力ミラーおよび線形検出器アレイを有し得る。

【0037】

光ファイバーケーブル１９５は、プラズマ発光を入口スリット４０５に誘導し、これは、約１０ｎｍ幅であり得、凹形入力ミラー４１０の焦点位置である。凹形入力ミラー４１０は、スリット４０５を通って伝送される光を、格子４２０上に撮像し、これは、異なるスペクトル成分を、それらの波長に比例する角度で回折する。凹形出力ミラー４３０は、回折パターンの異なる角度で分布し、格子からの回折光の異なる部分を、それぞれの線形検出器アレイ４４０上に集束させる。図４では、各凹形出力ミラー４３０に対して、一つの線形検出器アレイ４４０が存在する。各検出器アレイ４４０は、対応する凹形出力ミラー４３０が遮る波長領域を監視する。他の実装形態では、一つの線形検出器アレイまたは一つの二次元検出器アレイは、すべての出力ミラー４３０から反射された排出を記録するために使用され得る。検出器アレイ４４０は、信号分析、データ記憶、および／または表示のために、コンピュータ、プロセッサ、および／または他の信号処理電子機器（図示せず）に接続される。

【0038】

格子分光器の寸法、角度、波長分解能、および検出器アレイの帯域幅は、以下の三つの式によって決定され得る。式２は、標準格子回折角の式であり、式３は、波長分解能の式であり、式４は、検出器アレイの帯域幅の式である。
θ_Ｄ＝ａｒｃｓｉｎ（λｎ－ｓｉｎθ_ｉ） （２）

【数2】

【0039】

図５は、式２～式４中のパラメータを示す。これらのパラメータは、以下のように定義される。
θ_Ｄ－格子４２０からの回折角
θ_ｉ－格子４２０上の入射角
λ－波長
ｎ－格子溝密度
Ｌ－出力ミラー４３０から検出器アレイ４４０までの距離
ｗ－検出器アレイ４４０内の一つのセンサー画素４４２の幅
Ｙ－検出器アレイ４４０の全長

【0040】

表２は、２４００ｇｒ／ｍｍの格子溝密度を有する格子分光器１８５、および１４μｍ幅の画素を有する四つの２０４８画素線形検出器アレイ４４０について、式２～式４を使用した計算結果を示す。検出器アレイ４４０は、０．０１６ｎｍ以下のスペクトル分解能により、異なる帯域を監視し得る。各帯域は、約１６ｎｍの幅であり、この実施例では、２００ｎｍ～８００ｎｍの領域の波長を有する。この分光器は、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、リチウム、パラジウム、金、および銀の商業的価値のある金属を含む、排気後流中の３５個の元素のいずれかを検出し得る。他の分光器は、他の数の帯域（例えば、三つ、五つ、または六つ）、帯域幅（例えば、２０ｎｍ、２５ｎｍ、３０ｎｍ）、および／またはスペクトル分解能（例えば、０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍなど）を有し得、異なる数および種類の元素を検出できる場合がある。

【表2】

表２．２４００ｇｒ／ｍｍの回折格子および１４μｍ幅の画素を有する２０４８画素線形検出器アレイによる、回折角、分解能および帯域幅

【0041】

図６Ａ～図６Ｄは、有価元素の存在を検出するために使用され得る様々な元素に対して、四つの帯域のスペクトル放射を列挙する。図６Ａは、２４０ｎｍ帯域の排出を示し、図６Ｂは、３２０ｎｍ帯域の排出を示し、図６Ｃは、３４６ｎｍ帯域の排出を示し、図６Ｄは、３９８ｎｍ帯域の排出を示す。多くの元素に対して、二つ以上の波長が検出され得、元素の明確な同定を確実にする。多くの希土類元素は、ケイ素および炭素と共に含まれる。シリコン濃度を監視することで、削孔される土質材料の種類が示される。炭素が存在することで、炭化水素化合物との関与が示される。追加のチャネルは、監視される元素の数を増やすために、追加され得る。したがって、ボーリング孔１１０内の表面下の化学的性質の包括的で迅速な調査は、この技術によりボーリング孔を掘孔する間に、達成され得る。

【0042】

ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームにより削孔されたボーリング孔からの排出を継続的に監視するための装置は、様々な構成の掘孔システム内に実装および／または含まれ得る。例示的な構成を以下に列挙する。排出を監視する対応方法はまた、実施され得る。
（１）ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームにより削孔されたボーリング孔からの排出を監視する方法であって、プラズマチャンバ内で、ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームにより、土質材料を気化させることによって生成される排気ガスを受容すること、プラズマチャンバ内で、プラズマおよびプラズマからの光放射を生成するために、排気ガスを電磁放射で加熱すること、分光器により、光放射の分光測定を行うこと、および光放射の分光測定に基づいて、排気ガスの組成を決定すること、を含む、方法。
（２）プラズマチャンバ内で、ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームを作製するために使用されるミリ波放射の部分を受容すること、およびプラズマを生成する電磁放射を提供するために、ミリ波放射の部分を集束させること、をさらに含む、（１）に記載の方法。
（３）ボーリング孔の底部からの、ミリ波掘孔ビームの反射光から戻されたミリ波放射の部分を採取することをさらに含む、（２）に記載の方法。
（４）分光器を較正することをさらに含む、（１）～（３）のいずれか一つに記載の方法。
（５）分光器を較正することは、エアロゾルを、較正源からプラズマチャンバに導入することであって、エアロゾルは、既知の量の元素を、較正源からプラズマに供給する、導入すること、エアロゾルがプラズマ内に存在する間に、プラズマからの光放射レベルを測定することであって、光放射レベルが、元素の量を示す、測定すること、および光放射レベルから、排気ガス中の元素の量を決定すること、を含む、（４）に記載の方法。
（６）土質材料を気化させることによって生成される排気ガスを受容することは、粒子を、ガス流により、ボーリング孔からプラズマチャンバに接続された試料管に受容することを含む、（１）～（５）のいずれか一つに記載の方法。
（７）ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームによって生成されるボーリング孔内の土質材料の組成を監視するためのシステムであって、排気ガスをボーリング孔から受容し、ミリ波掘孔ビームを作製するために使用されるミリ波放射の部分を受容するための、プラズマチャンバであって、プラズマ発光の光放射を生成するために、ミリ波放射の部分により、排気ガスを加熱するように構成される、プラズマチャンバと、プラズマからの光放射のスペクトルを測定するための、プラズマチャンバと電磁連通する分光器であって、スペクトルが、ボーリング孔内の土質材料の組成を示す、分光器と、を備える、システム。
（８）排気ガスをボーリング孔から受容するための、プラズマチャンバに接続された試料管または試料ポートと、少なくとも排気ガスをプラズマチャンバから排気するための、プラズマチャンバに接続された排気管または排気ポートと、をさらに備える、構成（７）に記載のシステム。
（９）試料管または試料ポートは、少なくとも８００°Ｃの温度に耐える材料で作製される、構成（８）に記載のシステム。
（１０）分光器は、０．０２ｎｍ以上のスペクトル分解能で、２０ｎｍの帯域幅および２００ｎｍ～８００ｎｍの領域の中心波長を有する少なくとも一つの帯域を監視するように構成された格子分光器である、構成（７）～（９）のいずれか一つに記載のシステム。
（１１）ミリ波放射の部分をスポットに集束させるための、プラズマチャンバ内に配置されたミラーと、排気ガスを、ボーリング孔からスポット近傍のプラズマチャンバに放出するための、プラズマチャンバに延在する、試料管と、をさらに備える、構成（７）～（１０）のいずれか一つに記載のシステム。
（１２）プラズマチャンバに接続され、光放射をスポットから受容し、光放射を分光器に誘導するように配設された光ファイバーケーブルをさらに備える、構成（１１）に記載のシステム。
（１３）分光器の較正のためのエアロゾルを、プラズマチャンバに提供するための、プラズマチャンバと流体連通する較正源をさらに備える、構成（７）～（１２）のいずれか一つに記載のシステム。
（１４）ミリ波指向性エネルギー掘孔ビームを形成するために、ミリ波放射をボーリング孔の底部に誘導する伝送線の外部で、ミリ波放射の部分を結合するために、プラズマチャンバと電磁連通する反射電力アイソレータをさらに備える、構成（７）～（１３）のいずれか一つに記載のシステム。
（１５）ボーリング孔を削孔し、ボーリング孔からの排出を監視するためのシステムであって、高出力ミリ波（ＭＭＷ）源と、ＭＭＷ放射をＭＭＷ源からボーリング孔まで運ぶ導波路と、ボーリング孔がＭＭＷ放射から形成されたＭＭＷ掘孔ビームで深化されている間に、ボーリング孔を封止し、排気ガスをボーリング孔から捕捉するための排気配管と、排気ガスから採取された排気後流を受容するための、排気配管と流体連通するプラズマチャンバと、排気後流からプラズマチャンバ内に形成されたプラズマからの排出を検出するための、プラズマチャンバと電磁連通する分光器と、を備える、システム。
（１６）ＭＭＷ源によって生成されるＭＭＷ放射の部分をプラズマチャンバに結合するための、プラズマチャンバと電磁連通する反射電力アイソレータをさらに備える、構成（１５）に記載のシステム。
（１７）ＭＭＷ放射の部分をプラズマチャンバ内部のスポットに集束させるための、プラズマチャンバ内に配置されたミラーと、排気後流を、スポット近傍のプラズマチャンバに放出するための、プラズマチャンバに延在する、試料管と、をさらに備える、構成（１６）に記載のシステム。
（１８）プラズマチャンバに接続され、光放射をスポットから受容し、光放射を分光器に誘導するように配設された光ファイバーケーブルをさらに備える、構成（１７）に記載のシステム。
（１９）分光器は、０．０２ｎｍ以上のスペクトル分解能で、２０ｎｍの帯域幅および２００ｎｍ～８００ｎｍの領域の中心波長を有する少なくとも一つの帯域を監視するように構成された格子分光器である、構成（１５）～（１８）のいずれか一つに記載のシステム。
（２０）分光器の較正のためのエアロゾルを、プラズマチャンバに提供するための、プラズマチャンバと流体連通する較正源をさらに備える、構成（１５）～（１９）のいずれか一つに記載のシステム。

【0043】

６．結論
本明細書に記載される、全てのパラメータ、寸法、材料、および構成は、例示であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される、特定の用途に依存するであろう。従って、前述の実施形態が、主に一例として提示され、添付の請求項およびその均等物の範囲内において、本発明の実施形態が、具体的に記載および特許請求されるものと別様に、実践され得ることを理解されたい。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載する、個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組合せは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。

【0044】

また、様々な本発明の概念は、一つ以上の方法として具現化され得、そのうち、少なくとも一つの実施例が提供されている。方法の一部として実施される行為は、一部の事例では、異なる方法で順序付けられ得る。従って、一部の発明の実装形態では、所与の方法のそれぞれの行為は、特定に例示されるものと異なる順序で実施され得、これには、（このような行為が、例示の実施形態で連続した行為として示しているにもかかわらず）、一部の行為を同時に実施することが含まれ得る。

【0045】

本明細書に記載されるすべての刊行物、特許出願、特許、およびその他の参考文献は、参照により、その全体が組み込まれる。

【0046】

本明細書で定義および使用される全ての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文書中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。

【0047】

本明細書および特許請求の範囲で使用する不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、これと異なることが明確に示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。

【0048】

本明細書および特許請求の範囲で使用する語句「および／または」は、そのように結合された要素の「いずれか一方または両方」、すなわち、ある場合には接合的に存在し、他の場合においては離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」で列挙される複数の要素は、同一様式で、すなわち、そのように結合された要素の「一つ以上」と解釈されるべきである。「および／または」節によって具体的に識別される要素以外に、具体的に識別される要素に関係しようと、無関係であろうと、他の要素は任意選択的に存在し得る。従って、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」の参照は、「含む」などのオープンエンドの言語と組合せて使用される場合、一実施形態では、Ａのみ（任意選択的に、Ｂ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択的に、Ａ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（任意選択的に、他の要素を含む）などを指し得る。

【0049】

本明細書および特許請求の範囲で使用する「または」は、上記で定義された「および／または」と同一の意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を区切る場合、「または」または「および／または」は、包括的である、すなわち、いくつかのまたは列挙された要素、および任意選択的に、別の列挙されていない項目の、少なくとも一つを含むが、それらの二つ以上も含むと解釈されるものとする。反対に明確に示される用語、例えば「のうちの一つのみ」もしくは「のうちの一つだけ」、または特許請求の範囲で使用する場合の「からなる」、のみが、いくつかのまたは列挙された要素のうちの正確に一つの要素を含むことを指す。一般的に、本明細書で使用する用語「または」は、排他性の用語、例えば「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、「のうちの一つだけ」が前に付いている場合、排他的な選択肢（すなわち、「一方または他方であるが両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるものとする。特許請求の範囲において使用する「本質的になる」は、特許法の分野で使用される通常の意味を持つものとする。

【0050】

本明細書および特許請求の範囲で使用する、一つ以上の要素のリストに関連する用語「少なくとも一つ」は、要素のリストの中の要素の一つ以上から選択される、少なくとも一つの要素を意味するが、要素のリスト内で具体的に列挙したありとあらゆる要素のうちの、少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストのいかなる要素の組合せも除外するものではないと理解されるべきである。この定義はまた、具体的に識別される要素に関係しようと、無関係であろうと、「少なくとも一つ」という語句が指す、要素のリスト内で具体的に識別される要素以外に、要素が任意選択的に存在してもよいことを許容する。従って、非限定的な実施例として、「ＡおよびＢの少なくとも一つ」（または同等に「ＡまたはＢの少なくとも一つ」、または同等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも一つ」）は、一実施形態では、少なくとも一つの、任意選択的に二つ以上のＡを含み、Ｂが存在しない（および任意選択的にＢ以外の要素を含む）ことを指し、別の実施形態では、少なくとも一つの、任意選択的に二つ以上のＢを含み、Ａが存在しない（および任意選択的にＡ以外の要素を含む）ことを指し、さらに別の実施形態では、少なくとも一つの、任意選択的に二つ以上のＡを含み、ならびに少なくとも一つの、任意選択的に二つ以上のＢを含む（および必要に応じて他の要素を含む）こと等を指し得る。

【0051】

特許請求の範囲および上記の明細書において、全ての移行句、例えば、「備える」、「含む」、「保有する」、「有する」、「包含する」、「関与する」、「保持する」、「構成される」等は、オープンエンドであること、すなわち、含むがこれに限定されないことを意味すると理解されるべきである。「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」および「から本質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」という移行句のみは、米国特許局の特許審査手続便覧、セクション２１１１．０３の規定の通り、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句であるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【国際調査報告】