第28回Grain Formation Workshop, 平成22年度銀河のダスト研究会

PZT素子型宇宙塵検出機
開発・特性評価

東京大学 新領域創成科学研究科
中村真季

Photo 2010年05月16日 18:02撮影 月と水星

Undiscovered cosmic dust within
the orbit of MercuryMercury Dust Monitor
What is MDM?

The Mercury Dust Monitor (MDM) to be onboard the BepiColombo
Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO).
• A matrix of cosmic dust impact sensors comprised piezoelectric
sensors made of lead zirconate titanate (PZT) ceramics.
•40mm
PZT

PZT40mm!"#$%&%'()%)*+,-.
516,-%$+67,

!1(%'1-23100mm

$4'

PZT

!1(%'1-23PZT

!"#$%&%/+0-%)*+,-.
100mm

MDM cross-section view

MDM

Mercury Dust Monitor
The principle of PZT element.

Before polarization

After polarization

longitudinal mode transverse mode thickness-shear mode

SCOPE

The sensors generate electric signals by a compression
a strain and tensile strain.

Mercury Dust Monitor

10-8

9:;<℃%,(%:=<℃)!%"&$'(>+00%&?.

DEBIE (max)

'63-%&367.

Detectable areaof this work 10-10

PZTを用いた検出器搭載人工衛星
音響素子"Pioneer 8 and 9 ( to comet Halley)"Giotto ( to comet Halley)

DEBIE (min)

10-12
10-14

!"#$%"&$'('-3)-2+,82-%&℃.%

! Simple configuration! Light !weight! !Low !power !consumption! High !thermal !endurance

Nogami et al., 2010

1

100

10

@-*(A6,B%&C3D0-A.

直接衝突#Rosetta launder DIM (to comet)#BepiColombo MMO (to Mercury)

free fall(0.44 to 4.4 m/s, 5.2 " 10-7 to 5*10-4 kg )実験によっても測定(感知)可能． 

現在までの知見衝突角度依存がある
衝突速度依存がある
a particle mass : 28 pg
Velocity : 5.5 km/s

v < 6km/s
a particle mass : 5.5 pg
Velocity : 7.2 km/s

Takechi et al., 2005

温度依存がない（室温~F<<℃.

6 < v < 20 km/s
a particle mass : 29 pg
Velocity : 25 km/s

20 km/s < v Miyachi et al., 2005

個数
可否

○

Nogami et al., 2010

飛来方向 運動量 衝突速度
○

○

△

質量

電荷量

密度

△

△

E

検討中の課題
白色塗料を塗布した時の出力波形の変化%
水星探査では熱対策の為，白色塗料を塗布する．%
白色塗料 高耐熱複合材料%#'>成形用ポリイミド樹脂%%% 塗布厚み：%%:G<H3%
低速（１~I%C3D0）において白色塗料を塗布した素子に照射し出力波形の確認 

白色塗料が及ぼす影響&実験考察.%$ 白色塗料がない素子使用の実験%$ 白色塗料がある素子使用の実験%
上記の二つの実験のデータより白色塗料塗布時に及ぼす影響の調査方法検討%$4'の衝突位置依存，電極位置、温度依存等%!(367?%0((7J

実験&MN'.

K3)*6L-2

*+,.

*+,-

/0*

2

/1*

!

微粒子の速度:v

v =微粒子の質量:mm =微粒子の電荷量 : qLt
q = CV2qU
2CVU=2v
v2

静電容量C: 静電電極に接続された増幅器の帰還容量
出力電圧V:TOF2から検出加速電圧U:静電加速器の加速電圧!

実験&>$N9O.
K3)*6L-2

/34 electrodeelectrode

/0*
!

微粒子の速度2:v

微粒子の電荷量 : q
微粒子の質量/1*

:mLtq = CV
2qU
2CVU
m ==v2v2v =PSU独自でも速度と電荷量が計測できるが算出とPSU出力値の相違が最大２０％ある．

!

Experimental conditionsWe performed experiments HIT andMPI-K under the following conditions$ PZT element with the refractor.
$ Projectile : Fe and Ag$ Speed ranging : 1 to 6 km/s.

:<<

HIT and MPI-k experimental data

G<Amplitude (!10-3V)

<HIT
9G<

HIT

9:<<
FPRR

FPQ<

:<FPQF

FPQ;

Time (!10-4s)

FPQI

G
<9G

MPI-K

9:<

MPI-K

9:G
:PF<:PFF:PF;

出力波形例

:PFI

:PFR

実験値から得たグラフ

白色塗料を塗布した状態でも出力電圧と運動量は相関をもつ.

白色塗料による影響
White paint %Material: polyimid resin
Thickness: ~ 150 #mDensity: 1.3*103 kg/m3
Elastic modulus : 2.68*109 PaPZT
Thickness: 2 mmDensity: 7.8*102 kg/m3
longitudinal wave : about 5 km/s
transverse wave : about 3 km/s

白色塗料による影響
propagation velocity
c =&cM$!

basic concept

境界面における反射と透過

MⅠ%
$1c1

"

: velocity: Elastic modulus: Density.

Ⅱ
$2c2

Input Transmission
Reflection

cw = 1.4 km/s
cp = 5.0 km/s

Ⅰ: domain of WP

Ⅱ: domain of PZT*$c : specific acoustic resistance

粒子速度の伝搬のみ考えた場合
Reflection

ur" c # " 2c 2= 1 1ui"1c1 + " 2c 2u : particle velocity!

Transmissionut
2 "1c1=ui"1c1 + " 2c 2

Reflection : 0.34
Transmission : 0.64

!

白色塗料による影響(考察中)
Reflection : 0.34
Transmission : 0.64
Amplitude of PZT without white paint

Amplitude of PZT with white paintCondition
particle velocity : v km/s
particle mass: *** gCondition
particle velocity : v km/s
particle mass
: *** kgAmplitude

Amplitude

Y mV

X mV

Transmission of experiments

Y=ZX

Conclusions
1. 白色塗料の塗布により出力電圧が減少するが，出力電圧と運動量の相関は保たれる．
2. 白色塗料による影響評価の確立

near future
1. 白色塗料有無のみの違いでその他は同一環境で実験を行い具体的な数値の算出(2010年9月・１１月実験)
2. 白色塗料を塗布した状態での温度依存性の確認
3. PZTの超高速衝突時における物性値の算出