太陽光吸収率の入射角度依存性
全半球放射率の温度依存性
測定・推算・設計
宇宙科学研究本部 ／ JAXA 大西晃

1ＳＵＺＡＫＵ

X線天文衛星すざく2005．7
MLI

太陽電池
ﾊﾟﾄﾞﾙ

MLI
表面：ユーピレックス
（太陽側）

MLI
表面：アルミ蒸着面(反太陽側)

ラジエータ
銀蒸着テフロンフィルム

・ 重量 1.7ton

MLI
表面：ユーピレックス
MLI
表面：ユーピレックス
Z

Y（太陽方向）X

XRS-DWR

放射冷却装置（ラジエータパネル+ヒートパイプ）

・ 全高

6.5m

・ 全幅5.4m
21地球周りの熱環境

Direct Solar(Including UV Radiation)

Earth Infrared

SunbeamEarth Albedo

3

太陽光吸収率{1 − R (λ , θ )}⋅ J (λ )dλ∫α (θ ) =∫ J (λ )dλ2.50.26SabS

2.50.26soRISλθSSolar absorptanceSpectral reflectanceSolar spectral irradiance
Spectral
Incidence angle
42分光透過率・反射率測定装置
Light source

Monochromator
M1

DC power supply
M2
M9M3
M7 M5
M4M8M6

Pulse motor

Power supply for detector

Data proccesor
Lock-in amplifier
Integrated sphere
Detector

Sample holder5

分光透過率・反射率測定装置
Integrating Sphere
Spectrophotometer63入射角可変積分球
Detector
SampleholderIntegratingsphere

Sample holder
60°
50°
40°

Beam inlet
hole

30°
20°
10°

5°
Diffuse sample
holder0°

Rotationaxis

7

積分球

Diameter

300 mmIncident Angle (deg) 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60
Inner Surface
Reference Sample

Barium sulfate
Spectralon(SRS-99)

84システムデザイン

Wavelength Range

0.26 〜 2.50μm

Detectors-Photo multipliers-PbS

0.26 〜 1.20μm
1.20 〜 2.50μm

Overall Uncertainty±2.0〜3.0 %9

太陽光吸収率入射角度依存性0.80

太陽光吸収率0.70

25Kapton/Al
25Upilex‑R/Al
20Upilex‑S/Al
50Teflon/Al
100Si
白色Z206

0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
01020304050
入射角（deg）

6070
105全半球放射率
ε HS (TS ) =P − QWσ ⋅ AS (TS4 − TW4 )−AAl⋅ ε HAl (TS )
AS

LN2
PS Q

W

εHS(TS) QSAS T S

PS

Input power

QW

Lead wires heat loss

TSSample temperature

TW

Inner surface temperature

ASSample surface area

QC

PS:

Power input to the sample

QS:

Energy radiated from the sample

QC

:

QW

:

Energy radiated from the innersurface of the enclosure
Heat loss of the sample throughlead wires (Including Joule’s heatof lead wires)11

全半球放射率測定装置
173-700K

Port for sample
exchange

Vacuum insulation
layer

Thermocouple

Turbo-molecularpump

Lead wires

Insulation filmRotary pumpZero-con
29×29mm
Sheet heater

SampleLiquid nitrogen layer
Sample vesssel

30×30×0.5mm
Al plate

Specimen

126全半球放射率測定装置
173-700K

13

システムデザイン
Temperature Range

173 〜 700 K

Measurement Room

Copper‐Inside Diameter

250 mm‐Inside Face

Black paintOverall Uncertainty±2.0〜3.0 %147

全半球放射率

塗料類

0.95

0.90

0.85

白色Z202
白色ｱｽﾄﾛﾎﾜｲﾄ
黒色Z306
黒色ｱｽﾄﾛﾌﾞﾗｯｸ
黒色L300Black‑Kaptonn
ﾁﾗﾉｺｰﾄ

0.80

0.75
150

200

250

300

350400試料温度（K）
15

全半球放射率
高分子ﾌｨﾙﾑ0.80

全半球放射率

0.70
0.60
0.50
25Upilex‑R/Al
20Upilex‑S/Al
25Kapton/Al
75PEI/Ag

0.40
0.30150200250300350400

試料温度（K）
168

全半球放射率
金属類

0.20
Alﾊﾞﾌ研 磨 AAlﾊﾞﾌ研 磨 B
Al蒸 着
Agﾒｯｷ
SUS3040.150.100.050.00
150200250300350400

試 料 温 度 （ K）

17

分光法による放射率の算出
波長範囲：1.0 〜 100μm
温度範囲：173 〜 373K

ε H (T ) =π 2

10000 .25

∫ ∫ {1 − R (λ , θ )}⋅ i (λ , T )cos θ sin θ dλ dθ∫ ∫ i (λ , T ) cos θ sin θ dλ dθ
b

π 2

100

00 .25b189

太陽光吸収率･全半球放射率
推 算・測定装置の健全性
・熱制御材料の設計評価

19推算例
Electromagnetic waves
θ3r22d2Polyimide film
(n2,k2)d1Al(n1,k1)

r11r002010

推算フロー・ Design composition ofthermal control films
・ Optical constants- refractive index : n- extinction coefficient : κ- thickness of base films- deposited metal

Input data

Calculation ofspectral reflectance・ Incident angle region
0〜90°
・ Temperature range

Calculation of
αS and εH

173〜773 K

21

推算結果
太陽光吸収率1.0

Calculation
Experiment

Solar absorptance

0.80

0.60

0.40

0.20

0.0020406080

100

Incident angle, degree
2211推算結果
Total hem ispherical em ittance

全半球放射率1.0Experim ent
C alc ulation

0.80.60.4
0.2
0.01 00

200300400500600

7008 00Tem perature,K23

多層薄膜の設計
Set αS and εH

StartInitialization

RepeatGenetic Algorithm- Selection- Crossover- Mutation
Changing parameters(Material and thickness)

Spectral reflectance fromoptical constants
αS and εH fromspectral reflectanceNo

Yes
Stop ?

End2412

設計パラメータ
Population

20

Generation

5000

Tournament Selection+Elite Preserving Selection
Tournament Size

4

One-point Crossover
Probability of Crossover

0.8

Probability of Mutation

0.1

Candidate Materials

a-Si, CaF2, Ge, LiF,MgF2, SiO2, ZnS, ZnSe

Range of Thickness

0 ~ 300 nm

Maximum Number of layer

10Target αS

0.20

Target ⊿εH

0.4025可変放射率素子
Composition
Type1La0.825Sr0.175MnO3

Type2

La0.7Ca0.3MnO3

Type3

La0.775Sr0.115Ca0.11MnO3Size : 40mm × 40mm × t70µm
Weight : 1.2 g/piece

2613

分光反射率温度依存性
La0.775Sr0.115Ca0.11MnO390

Metal-insulatortransition temperature

Reflectance, %8070243K
253K
263K
273K
283K
293K
303K

6050

Optical phonon

403020110100

Wavelength, µm

27全半球放射率Total Hemispherical Emittance

0.70.6
0.50.40.3
Type1(La0.2Type2(LaType3(La0.1150200250

Sr0.825
0.7MnO )0.175

3Ca MnO )
0.3

3

Sr

Ca0.775

0.115300MnO )

0.11

350

3400

Temperature, K2814

多層薄膜付SRD
SRD

SRDM

29

設計結果
Total hemispherical emittance
Total Hemispherical Emittance

0.8
0.7
0.6
0.5
0.40.3
SRDM (Calculation)

0.2

SRDM (Experiment)
SRD (Experiment)

0.1
150200250300350400Temperature, K
3015

設計結果
Solar absorptance
100Reflectance, %80SRDM α = 0.24 (Calculation)

60

S

SRDM α = 0.28 (Experiment)
S4020
SRD α = 0.81 (Experiment)
S00.25 0.50

1.01.52.0

2.5

Wavelength, µm
31

ポータブル測定装置
太陽光級数率・全半球放射率3216

ﾎﾟｰﾀﾌﾞﾙ放射率測定装置
Operating Unit
172.5×88.5×61 mm, 590g

Temperature Control Unit
with 3 Thermo-Sensors
Sample◆ Blackbody furnace
360 ± 0.5 K◆ Sample/Reference
Temperature Dependence◆ RoomMeasuring Time: < 10 sec
Measurement Unit
196×100×40 mm, 390g

33

測定結果

Reference:
Black Kapton, Al3417ﾎﾟｰ ﾀﾌﾞﾙ太陽光吸収率測定装置
0.26〜2.6μm

3518