メタサーフェスを用いた極低温用放射デバイスに関する研究

利用超表面的低温辐射装置研究

• 批准号: 20K21049
• 负责人: 太刀川 純孝
• 金额: $ 3.49万
• 依托单位: Japan Aerospace EXploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-07-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K21049/
• 关键词: 宇宙機; 極低温; 放射率; メタサーフェス; MIM構造; ふく射; ラジエータ; 放射; 宇宙

本研究は、赤外天文衛星等に適用する「極低温用ラジエータ」の開発を目的とする。具体的には、MIM(Metal-Insulator-Metal)構造を用いて、30K程度の黒体ふく射のピーク波長である100μm付近を中心に、広い波長域にわたって大きな放射率を備える材料を開発する。現在のところ、極低温で高放射率を示す適切な材料は存在しない。極低温域における赤外放射の波長は長く、従来の材料を使って放射率を高めるためには、材料を厚くする必要がある。しかし、この方法は、質量増加、コンタミ増加、熱抵抗増加などを招くため、適切な方法とは言えない。そこで、MIM構造と呼ばれる人工的な共振構造を作り、厚さが薄くても長波長の電磁波に対する吸収（＝放射）が大きくなる材料を開発する。方法としては、電磁波解析コードを用いてMIM構造を設計、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems）技術を使って材料を作成し、FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)を使って反射スペクトルを測定することによって性能の評価を行う。2020年度は、共振波長の広帯域化を目指し、周期構造の大きさを単一ではなく、複数の共振点を持つように周期構造の大きさを変化させることにより、共振波長の広帯域化を実現した。2021年度は、周期構造の大きさを変化させるとともに、MIM構造を2段にし、異なる誘電体を用いることによって、共振点を増やし、共振波長の広帯域化を実現した。2022年度は、さらなる広帯域化を目指し、周期構造の大きさを変化させるとともに、MIM構造を3段にすることによって、共振点を増やした。その結果、30～110umの広い波長域で反射率が低下、すなわち、吸収率（＝放射率)が大きくなっていることが確認できた。

这项研究旨在开发一种“低温散热器”，可应用于红外天文卫星等。具体而言，使用MIM（金属 - 绝缘子 - 金属）结构，这种材料在宽波长范围内具有较大的复杂性，峰值波长约为100μm，是大约30k的黑体辐射峰。目前，在极低的温度下，尚无合适的材料表现出很高的发射率。低温区域红外辐射的波长很长，为了使用常规材料提高发射率，必须加厚材料。但是，该方法不能被认为是一种适当的方法，因为它会导致质量增加，污染增加，热电阻增加等。因此，我们创建了一种称为MIM结构的人造谐振结构，并开发了一种可以更快地吸收（=辐射）的材料，即使它很薄，也可以更快地用于长波长电磁波。该方法涉及使用电磁波分析代码设计MIM结构，使用MEMS（微电机械系统）技术创建材料，并使用FTIR（傅立叶变换红外光谱仪）测量反射光谱来评估性能。在2020年，我们旨在扩大谐振波长，并通过更改周期性结构的幅度，以使其具有多个共振点而不是一个谐振点，我们意识到了更宽的谐振波长。在2021财年，我们更改了周期性结构的大小，使MIM结构分为两个阶段，并使用不同的介电作用来增加共振点的数量，并更宽了谐振波长。在2022财年，我们旨在进一步扩大频段，改变周期性结构的大小，并通过使MIM结构三个阶段增加谐振点。结果，已经证实，在30至110 um的宽波长范围内，反射率降低，即吸收（=发射率）增加。