第２７回Grain Formation Workshop/平成２１年度 銀河のダスト研究会
研究発表資料

圧電性PZT素子の衝突検出器としての特性（温度特性について）
2009年10月10日
中村真季*,小林正規* * ,杉田精司**東大新領域**千葉工大目次
1.宇宙塵検出器
2.研究目的
3.過去の実験のデータ解析と実施した実験
4.まとめ

宇宙塵計測宇宙塵は起源や進化過程によって異なる空間分布、サイズ分布を群に分類できる。
宇宙塵群の混在した状態から、逆にそれぞれの宇宙塵の起源や、その進化を推定するため、様々な側面から宇宙塵を分類することが必要。

例）宇宙塵空間分布マップ
可視光・赤外線による遠方宇宙の観測における黄道光による障害を取り除くために有用な情報の提供。
太陽系とは進化レベルや物質分布の異なる他の惑星系を光学観測する際のレファレンスデータにもなる可能性。

Î宇宙塵計測が必要

宇宙塵検出器搭載衛星

0.3～18AUの範囲で観測をおこなえているが、その統計精度については低い。

なぜ内惑星の宇宙塵に関するデータが少ない？

 太陽付近の宇宙塵の観測は地球付近のダスト微粒子によってわかりにくい。
 太陽方向へ観測機を向けての観測になるため、太陽からのノイズの影響のためデータ取得が難しくデータが少ない。

Îその場計測が必要

Bepi Colombo計画について「Bepi Colombo 国際水星探査計画」
・水星の内部・表層・大気・磁気圏にわたる総合的観測・水星の現在と過去を明らかにすることが目的。
Bepi Colombo ミッション概要
打ち上げ

２０１４年

探査場所到着

２０２０年

探査場所

水星周回軌道上

探査期間

約一年間

宇宙塵とは…
•大きさ：10μm以下 速度：2～50km/s の固体微粒子•太陽系内の天体の源のひとつと考えられている。
Î宇宙塵の挙動を知る事で太陽系の進化を理解
しかし、内惑星の宇宙塵に関するデータは少ない。

Bepi Colombo搭載用宇宙塵検出器
Î圧電性PZT素子を宇宙塵検出器として採用
圧電性PZTz圧縮や引っ張りの歪み(体積変化分)に応じて電圧を発生
z高誘電率、圧電性が比較的大きいzキュリー点が高く、圧電性の温度依存性が小さい
z形状：セラミック 放射線に強い。
z軽量、安価、形状の自由がきく。

少ないリソースで実現可能

単位：mm3510035100

圧電性PZT素子型宇宙塵検出器
検出器サイズ35mm×35mmを4枚

環境温度‐140℃～+170℃

検出頻度(予測)

1日1個程度

搭載位置

衛星のサイドパネル

宇宙塵検出器

温度特性

実験目的
宇宙塵検出器は水星近傍を周回するため、ミッション中は-140℃～+170℃の過酷な環境下に曝される。
Î温度特性を評価する必要がある
そこで…

(1)静電加速器を使用した超高速衝突実験のデータ解析(2)鋼球を使った自由落下衝突実験を行い、温度特性を検証する。
鋼球実験と加速器実験の関係を調べることにより、観測データから宇宙塵を想定している衝突微粒子の物理量(運動量等)を導く方法を検討する。
鋼球実験のメリット：簡便に広い温度範囲及び運動量で実験可能

静電加速器によるセンサー温度依存性に関する実験
測定条件

AmplifierVan deGraaff

微粒子PZT素子
TOF 1

TOF 2

衝突時刻の確認用

微粒子サイズ0.1～1 μm

速度2～50 km/s

微粒子素材

鉄

PZT素子サイズ

円形
直径 20 mm
厚み 1.0 mm

0.05

VpL
F

拡大-0.05

OutPut(V)

OutPut(V)

0.05

0.0

RT(room temp)
100℃
150℃
RTAH(after heating)

オシロスコープ

速度:v
電荷:q

0.00

温度

VpHF
0.00

-0.05

Time(μs)

20

低周波成分の信号

8Time(μs)

12高周波成分の信号高周波成分の最初のピークでの発生電荷Qと運動量
CSA出力は検出器の静電容量に依存せず、発生電荷Qに比例するためその大きさが求められるÎ発生電荷Qを採用

高周波に着目したグラフ。
RT～150℃の範囲ではほぼ同様な直線上にあり温度依存性は小さい。

低周波成分の最初のピークでの発生電荷Qと運動量

低周波に着目したグラフ
各温度での発生電荷と運動量との相関はあるものの、ばらつきが大きい。

加速器実験におけるセンサー出力の温度依存性のまとめ•【高周波成分】
発生電荷と運動量の関係は温度に依存せず比例関係•【低周波成分】¾温度依存がみられる¾同じ室温にもかかわらず加熱前後でセンサー出力が異なる
宇宙塵検出器が対象とする運動量範囲のなかでも加速器実験でカバーできない領域がある

衝突実験１Î室温での自由落下による実験を行い、加速器実験との関係を検証
衝突実験２ Î自由落下による実験での温度特性の検証

使用鋼球素材：SUS

衝突実験１
室温での実験概略
4cm ×4cm
厚さ2mm

自由落下
PZT素子

デジタルストレージオシロスコープ

直径(mm)

質量(kg)

0.5

5.2 × 10-7

1.0

4.1× 10-6

2.0

3.3× 10-55.0

5.1× 10-4

落下高さ(cm)

衝突時の速度(m/s)

10.44101.4

1004.4
PZT素子発生電荷Q(C)=出力電圧（V)×PZTの静電容量C(F)表
接地側電極の上に白色塗料を塗布

裏
出力電極(銀膜)露出

衝突実験１発生電荷Qと運動量の関係
測定条件
温度

室温(23.2 ℃)

鋼球直径(mm)0.5
1.0
2.05.0

鋼球質量(kg)

5.236 × 10‐7
4.063 × 10‐6
3.255 × 10‐55.085 × 10‐4

落下高(m)さ

0.01
0.1
1.0

静電容量C(F)8.467×10‐9衝突実験１
加速器の実験結果と自由落下の実験結果の関係

宇宙塵運動量範囲
室温におけるデータ
加速器実験の結果と自由落下での衝突実験の結果、強い相関があるとみなせる

衝突実験２
自由落下実験による温度依存性の測定
高温でのセットアップ

低温でのセットアップ
測定条件
温度

各温度

鋼球直径2 mm

鋼球質量

3.3 × 10-5 kg

落下高さ

0.30 m

衝突時速度2.4 m/s

運動量7.9×10-5 kgm/s

電気オーブン

液体窒素及びドライアイス

室温(23 ℃ )、１００℃、１５０℃、
１７５℃、２００℃-169 ℃、-146 ℃ 、-87 ℃ 、-83 ℃、-41 ℃ -27 ℃

センサー温度は熱電対で測定

衝突実験２発生電荷Qの温度依存性
+15%
測定条件

-15%

球の直径：2mm
高さ：30cm

温度

各温度

鋼球直径

2.0 mm

鋼球質量3.3 × 10-5 kg

落下高さ

0.30 m

衝突時速度

2.4 m/s

運動量7.9×10-5 kgm/s

温度に対するQの変化量は±15%程度の範囲に収まっており、-169 ℃～+200 ℃の温度変動によるPZTセンサー性能への影響は限定的である。

衝突実験2.1 精度を上げるための改良
前回との変更点¾落下方法：ピンセットÎ電磁石(手ぶれの影響を排除)¾統計を高めた(15回Î60回)¾衝突位置のばらつきを小さくした¾PZT素子の変更(フライトモデル)

測定条件
温度

24,50,75,100,125,1
50,175,200 ℃

鋼球直径

2 mm

鋼球質量

3.3 × 10‐5 kg

落下高さ

0.30 m

衝突時速度

2.4 m/s

運動量7.9×10‐5 kgm/s

使用したセンサー

衝突実験2.1
温度依存性(高温部)
測定条件

球の直径：2mm
高さ：30cm

温度24,50,75,100,125,150,175,200 ℃

鋼球直径

2 mm

鋼球質量

3.3 × 10-5 kg

落下高さ

0.30 m

衝突時速度

2.4 m/s

運動量7.9×10-5 kgm/s

150℃付近からの発生電荷Qの上昇
圧電定数の上昇
相転移が始っている可能性

温度依存特性の実験結果と考察【結果】圧電波形の高周波成分を取得することにより、水星周回軌道の高温部における温度変化では、温度に依存することなく宇宙塵の有する運動量の評価が可能であることを示した
 PZT圧電素子と種々の微粒子(鋼球及び微粒子)との衝突実験により、広い範囲にわたって運動量(10-11～10-2 kgm/s)と電荷量が、線形関係を示すことが明らかになった。
-169 ℃ ～ +200 ℃の温度範囲での鋼球の衝突実験により、温度に対する発生電荷Qの変化量は±15 %程度の範囲に収まっており、温度変動によるPZTセンサーの性能への影響は限定的であるということが確認された。(広いダイナミックレンジを取るので15 %程度のばらつきは許容範囲である。)（自由落下改良後の結果）精度を高めた結果室温から高温部にかけては温度依存性が定量的に評価できた。
z 室温(24℃)から200℃までの温度依存性を調べたところ、150℃以上で発生電荷Qが増加し始める。
z 圧電定数の上昇
z 相転移が始っている可能性(キュリー点の半分以上)
しかしこの二つについては現段階では不明