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。

本研究旨在开发一种用于红外天文卫星等的“低温辐射器”。具体来说，我们将使用MIM（金属-绝缘体-金属）结构来开发一种在以100μm为中心的宽波长范围内具有高发射率的材料，这是黑体辐射在30K左右的峰值波长。目前，还没有合适的材料在低温下表现出高发射率。低温下红外辐射的波长很长，因此使用传统材料提高发射率需要更厚的材料。然而，该方法不能说是适当的方法，因为它导致质量增加、污染增加、热阻增加等。因此，我们将创建一种称为MIM结构的人工谐振结构，并开发一种即使很薄也能对长波长电磁波具有高吸收（=辐射）的材料。该方法是使用电磁波分析代码设计MIM结构，使用MEMS（微机电系统）技术创建材料，并使用FTIR（傅里叶变换红外光谱仪）测量反射光谱来评估性能。 2020年，我们的目标是通过改变周期性结构的尺寸来拓宽谐振波长带，使其具有多个谐振点而不是单个谐振点。 2021年，我们通过改变周期结构的尺寸、将MIM结构做成两级、以及使用不同的介电材料，增加了谐振点的数量，实现了更宽的谐振波长。 2022年，我们的目标是通过改变周期结构的尺寸以及通过将MIM结构增加到三级来增加谐振点的数量来进一步拓宽频带。结果，证实了在30至110μm的宽波长范围内反射率降低，即吸收率（=发射率）增加。