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

(K.Yamamoto 2004 Aug.)

Lcav=3 [km]F=1250P0=100[W]Gpower=10Gwidth=10

Optical Readout Noiseが支配

・鏡の冷却・神岡鉱山トンネル

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

Z-axis

-10.0

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0 1 2

Time [s]

Displacement [um]

Cold Stage VR Stage

鏡系統への振動振幅 < 50 nmCryostat は地盤常時微動レベル （ < 100Hz ）

CryomirrorAl2O3 Single Crystal (=Sapphire)Size: 250mm x 180mmOperating Temperature: 20K

SuspensionSapphire Fibre (or Rod)Diamter: 1.8mmLength: 500mmNumber: 2 pairs (or 4 rods)

低温鏡の基本構成LCGT でのパラメーター

・ 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

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

T.Tomaru 他 , Phys.Lett. A301(2002)215.

Rmin=1431mm

1.8mm

R=125mm

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 +H2OSilica 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 ->ContactOptical 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 bondingDirect bonding (Optical Contact+Heat Treatment)

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

C.Taylor and L.ContiStanford Univ.

Japan Cell Onyx Optics

Mat.: unknown Mat.: unknown Mat.:CSI HEMEX

素材と接合を含む部分の熱伝導比較

熱伝導率測定

â∑ìxåvÅi4í[ éqñ@Åjâ∑ìxåvÅi4í[éqñ@Åj

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â∑ìxåvÅi4í[ éqñ@Åjâ∑ìxåvÅi4í[éqñ@Åj

Cold Reservoir

Cold ReservoirCold ReservoirHeater 2

Heater 2Heater 2Heater 1

Heater 1Heater 1

ê⁄çáïî

10 x 60 Sample

□5 x 60 Sample

接合部の剪断強度比較（ 300K, 空中）

10x30x2 -> 10x60 D.B. T~1700 [K] H.-C.B. NaOH/SiO2:H2O=1:6 0.2L Epoxy Glue : 弾性エポキシ　 20℃　 24時間

Direct Bonding

Silicate Bonding

Epoxy Glue

Max. Torque　　　 [N ・ m]

shear [Mpa]

4.69 1.71 0.608

17.9 6.53 2.32

接合面から破断接合面から破断接合面より基材部が大きく破断

接合部の剪断強度テスト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

ÉgÉãÉNÉZÉìÉTÅ[

ê⁄çáÉTÉìÉvÉã

T

T= 2sheara3

3

O

OOshear dS

shearshear dSdS2a

2a2a

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

cccc

ccc

cc

ccc

ccc

?

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

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

Appendix1

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.

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。Hole-Plug

構造

S.Gras, D.G.Blair and L.Ju, Phys.Lett.A333(2005)1

Appendix2