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。

This study aims at the development of ultra-low temperature applications such as celestial satellites. Specific MIM(Metal-Insulator-Metal) structure is used in the development of materials with high emissivity at wavelengths up to 30K and near 100μm. At present, very low temperatures and high emissivity indicate the existence of appropriate materials. The wavelength of radiation in the cryogenic region is long and the material thickness is high. The method is different, the quality is increased, the temperature is increased, the heat resistance is increased, and the method is appropriate. For example, MIM structure and artificial resonance structure can be used to absorb and emit electromagnetic waves with long wavelength. Methods: To design MIM structure, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) technology, FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer) technology, and to evaluate the performance of electromagnetic wave analysis. In 2020, the localization of resonance wavelength, the large number of periodic structures, the large number of resonance points, the large number of periodic structures, the large number of resonance points, and the localization of resonance wavelength will be realized. In 2021, the periodic structure was changed to two sections, the dielectric structure was changed to two sections, the resonance point was changed to two sections, and the resonance wavelength was changed to two sections. In 2022, the frequency domain of the periodic structure was changed, and the frequency domain of the MIM structure was changed. Results: Reflectance is low in the wavelength range of 30~110um, absorbance (= emissivity) is high, and it is confirmed that