大型低温重力波検出器へのサファイア固相接合の適用研究

大型低温重力波検出器への
サファイア固相接合の適用研究
高エネルギー加速器研究機構
鈴木敏一
特定領域：重力波の新展開
2004年度公募研究
2005年2月19日
ＴＡＭＡＳｙｍｐｏｓｉｕｍ
大阪市立大学
Lcav=3 [km]
F=1250
P0=100[W]
Gpower=10
Gwidth=10
Optical Readout Noise
が支配
・鏡の冷却
・神岡鉱山トンネル
(K.Yamamoto 2004 Aug.)
低温源：小型冷凍機
超低振動冷凍機システムを開発（CLIO計画研究エ）
Z-axis
Cold Stage
Cryostatへの振動
VR Stage
10.0
8.0
Displacement [um]
6.0
4.0
2.0
0.0
-2.0
-4.0
-6.0
-8.0
Ground
-10.0
0
1
2
Time [s]
鏡系統への振動振幅< 50 nm
Cryostatは地盤常時微動レベル
（< 100Hz）
低温鏡の基本構成
LCGTでのパラメーター
Cryomirror
Al2O3 Single Crystal
(=Sapphire)
Size: 250mm x 180mm
Operating Temperature: 20K
Suspension
Sapphire Fibre (or Rod)
Diamter: 1.8mm
Length: 500mm
Number: 2 pairs (or 4 rods)
・2本のSapphire Fibreで円筒形の鏡を吊す
・Fibreは鏡の重量で弾性変形して、
円筒側面と密着
・Fibre上端を低温源に接続
Fibreによる伝導冷却
低機械損失懸架
T.Uchiyama 他, Phys.Lett. A242(1998)211,, Phys.Lett. A261(1999)5,,
Phys.Lett. A273(2000)310 .
Sapphire Fibre中の熱伝導
=Cvvcl /3
(Fibre直径)~l -> サイズ効果
T.Tomaru 他 , Phys.Lett. A301(2002)215.
LCGTでは1W級の熱輸送が必要になるため
直径1.8mmのFibre(もはやRod)を使用する
Rmin=1431mm
R=125mm
1.8mm
LCGTにおける低温鏡懸架
 直線状Rod(Fibre)の弾性変形による支持は使えない
 対策
 Sapphire結晶の吸収低減（->目途が立っていない）
 Rodを予め成形しておく
 Rodと鏡を接合する
 Rod-鏡を結合する構造を導入
 鏡とロッドの接合
 弾性接触より大きな実効伝熱面積を得る
 接触熱抵抗解消
 鏡とロッドの固定（機械損失増大抑止）
 鏡の自重で決まる接触摩擦以上の固定
Sapphire-Sapphireの接合
 接着
 接着剤有機or無機
 金属焼き付け、超音波ハンダ、など
 Silicate bonding
 NaOH/SiO2 +H2O
 Silica mirrorでは実用化されている
 融着
 接合部の融解・再固化。
 直接接合
 常温接合。UHV中で表面清浄化->Contact
 Optical Contact + Heat Treatment
 Direct Bonding
Sapphire-Sapphire接合を低温鏡の
懸架部に用いるための基礎データ
 接合部の熱抵抗
 バルク部との“熱伝導率”比較
 接合部の機械的性質
接合部の破断強度
接合部の機械損失
用意したサンプル
Silicate bonding
Direct bonding (Optical Contact+Heat Treatment)
接合サンプル
10mm x 30mm x 2
10mm x 30mm x 2
Silicate Bonding
Direct Bonding
Direct Bonding
Mat.: unknown
Mat.: unknown
Mat.:CSI HEMEX
C.Taylor and L.Conti
Stanford Univ.
Japan Cell
□5mm x 30mm x 2
Onyx Optics
素材と接合を含む部分の熱伝導比較
熱伝導率測定
Cold Reservoir
Heater 2
温度計（4端子法）
温度計（
4 端子法）
10 x 60 Sample
温度計（4端子法）
接合部
温度計（4端子法）
温度計（4端子法）
Heater 1
□5 x 60 Sample
接合部の剪断強度比較（300K,空中）
Direct
Bonding
Silicate
Bonding
Epoxy Glue
Max. Torque
[N・m]
4.69
1.71
0.608
shear [Mpa]
17.9
6.53
2.32
接合面より
基材部が
大きく破断




接合面から破断
接合面から破断
10x30x2 -> 10x60
D.B.
T~1700 [K]
H.-C.B. NaOH/SiO2:H2O=1:6 0.2L
Epoxy Glue : 弾性エポキシ 20℃ 24時間
接合部の剪断強度テスト
 接合サンプルの下端
T
接合サンプル
にトルクセンサー取付
 上端にトルクを加える
 破断するまでの最大
トルクを記録
shear
shea r dS
トルクセンサー
O
2a
T=
2sheara3
3
Direct Bondingの注意点
 接合面の結晶方位を合わせる必要がある
 熱処理温度 T~1700 [K]
 //c-axisと//a-axisの熱膨張の差
Direct Bondingの注意点
 //c面と⊥C面の接合はできない
 鏡の円柱軸//c <--> ロッド長軸//c
c
c
?
c
c
c
まとめと課題 1
 Direct Bondingでは基材に遜色ない熱輸
送が期待できるが、Silicate Bondingは熱
抵抗の原因になる。
 接触熱抵抗は回避できる。
 剪断強度は18MPaが得られた。基材の引
張強度の7%以下。
まとめと課題 2
 鏡とロッドの接合にはつなぎが必要。
 引張強度も測定。低温でも調べる。
 機械損失の測定はこれから。
 LCGTの鏡懸架に向けての課題
鏡の研磨・コーティング工程との両立
SPIとの接続、クランプ法
メンテナンス
Appendix1
Stepanov法による形状形成例
（V.A.Borodin 他, J.CrystalGrowth 198/199(1999)201.）
Appendix2
Rodと鏡を結合する構造の例
Nb hinge
I.A.Bilenko, L.Ju, D.Paget and D.G.Blair,
Meas.Sci.Tech.13(2002)1173.
Hole-Plug
構造
S.Gras, D.G.Blair
and L.Ju, Phys.Lett.
A333(2005)1
Sapphire Rodの
端に超音波加工
でヒンジと嵌合
構造を成形
2002年頃Aspen
Conferenceにて
DeSalvoが提案した。
実現したのか不明。

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