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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. 2005 年 2 月 19 日 ＴＡＭＡ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ 大阪市立大学. 特定領域：重力波の新展開 2004 年度公募研究. L cav =3 [km] F =1250 P 0 =100[W] G power =10 G width =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.

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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

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  1. 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 2005年2月19日 ＴＡＭＡ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ 大阪市立大学 特定領域：重力波の新展開 2004年度公募研究

  2. 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.)

  3. 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） Cryostatへの振動 Ground Cryostatは地盤常時微動レベル （< 100Hz） 鏡系統への振動振幅< 50 nm

  4. 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)

  5. ・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

  6. Rmin=1431mm R=125mm 1.8mm

  7. 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

  8. 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

  9. Sapphire-Sapphire接合を低温鏡の懸架部に用いるための基礎データ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)

  10. 接合サンプル 10mm x 30mm x 2 10mm x 30mm x 2 □5mm x 30mm x 2 Silicate Bonding Direct Bonding Direct Bonding Mat.: unknown Mat.: unknown Mat.:CSI HEMEX C.Taylor and L.Conti Stanford Univ. Onyx Optics Japan Cell

  11. 素材と接合を含む部分の熱伝導比較

  12. 熱伝導率測定 10 x 60 Sample □5 x 60 Sample

  13. 接合部の剪断強度比較（300K,空中） Direct Bonding Silicate Bonding Epoxy Glue • 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 Max. Torque [N・m] 4.69 1.71 0.608 17.9 6.53 2.32 shear [Mpa] 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

  14. 接合部の剪断強度テスト T • 接合サンプルの下端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 2sheara3 T= 3

  15. 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

  16. 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 ?

  17. 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。

  18. 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

  19. Appendix1 Stepanov法による形状形成例 　（V.A.Borodin 他, J.CrystalGrowth 198/199(1999)201.）

  20. Appendix2 Rodと鏡を結合する構造の例 Nb hinge Sapphire Rodの 端に超音波加工 でヒンジと嵌合 構造を成形 I.A.Bilenko, L.Ju, D.Paget and D.G.Blair, Meas.Sci.Tech.13(2002)1173. 2002年頃Aspen Conferenceにて DeSalvoが提案した。 実現したのか不明。 Hole-Plug 構造 S.Gras, D.G.Blair and L.Ju, Phys.Lett. A333(2005)1

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