CPS セミナー 30 Mar 2011

Effects of a light reflecting layer tothe response of piezoelectric PZT
中村真季
東京大学 新領域創成科学研究科
複雑理工学専攻 博士２年

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

1	

Keyword

宇宙塵

その場計測

宇宙塵検出器30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

PZT素子

2	

Keyword

宇宙塵

その場計測

宇宙塵検出器

PZT素子

太陽系に存在する宇宙塵の供給源
宇宙塵の流動「どこから来て、どこへ行く」

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

3	

Photo credit : NASA/STScIKeyword

宇宙塵

その場計測

宇宙塵検出器

PZT素子

1960年代から探査機を用いた宇宙塵観測が始まる

その場計測
貫通型

Beer canアルミニウムシート
銅ベリリウムシート

衝突電離型

組成分析
空間分布NASA

圧電素子型

捕集型	

PVDF
PZT

アルミニウムシート型検出器/Pgasus

エアロジェル等

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

4	

エアロゲル型検出器/Star dust mission

Keyword

宇宙塵

その場計測

宇宙塵検出器

チタン酸ジルコン酸鉛（lead zirconate titanate, PZT)
組成式：Pb(Zrx, Ti1−x)O3
高誘電率および高圧電性、強誘電性をもつセラミック
宇宙空間で適応できる	

PZT素子

image

The principle of PZT element.

Before polarization

After polarization

longitudinal mode transverse mode thickness-shear mode
30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

SCOPE

5	

もくじ
目的
PZTを用いた検出器の紹介
現在までの研究
本発表における目的及び実験結果まとめ、今後の展望

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

6	

目標
低速度から高速度衝突の広範囲速度レンジにおいて測定可能な検出器の開発
日本では2002年にPZT素子に直接粒子を照射する実験が始まる(Miyachi,2002)
PZT素子は10-17kgの微粒子衝突ですら感知できる粒子の速度が低速でも測定可能では？
現在我々は高速度衝突における研究と共に低速度衝突にも着目

惑星間塵等の高速度の塵のみならず様々な塵の検出が可能になる

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

7	

PZT素子検出器を用いた探査機
BepiColombo mission

Rosetta mission

99	  Acous>c	  sensor	  /Stardus	

Credit by ESA
1985	  DIDSY	  /Gio9o	
1999	  Acous>c	  sensor/Stardust	30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

Credit by ESA &JAXA

8	

DIM-SESAMI Rosetta mission
2004年3月2日，アリアン5にて打上げ
2014年に小惑星67P/Churyumov-Garasimenkoに到着し，着陸船(Philae)投入

PhilaeDust Impact Monitor : DIMDimensions	  :	  71.5	  ×	  71.5	  ×	  69.0	  mm3	
検出可能領域エネルギー：2 10-11 ‒ 2 10-7J
質量 : 6 10-10 ‒ 8 10-4 kg
速度：0.025 ‒ 0.25 m/sec(K.J.SEIDENSTICKER	  et	  al.,	  2006)	

注意：密度が1000kg/m3の時30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

9	

Discussion with Dr.Krüger
DIMの開発担当している方	Hertzʼ theory を参照にして行っている
主に低速領域の実験を行っている
今後，彼等は温度依存の実験に取りかかる予定

修論にて「自由落下衝突における温度依存の研究」を行っていたため，これについて議論をする
Krügerさん：PZT素子型検出器に関しては低速領域
我々：高速領域を標的にした検出器を開発

球を自由落下させた時の波形例
様々な速度レンジに対応できる検出器の開発を目指す

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

mass 4 mg
velocity 0.44 m/sec
energy 4 × 10−7 J10	

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.

MDMの構造40mm
PZT

PZT 40mm

CFRP	  (	  Top	  plate)	
Cho	  Therm	

100mmWhite	  Paint	

PZT	

PZT

Cho	  Therm	PZT

CFRP	  (	  Base	  plate)	
100mm
MDM

MDM cross-section view30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

11	

何をしたいか@MDMの最終目標	

amplitude

MDMからのデータより
個数
運動量
この２つの決定が目標搭載するPZT素子の形状は決定済み
amomentumb30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

12	

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~200℃)	

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

20 km/s < v
Miyachi et al., 2005
Nogami et al., 2010

個数	可否	◎	

飛来方向	 運動量	 衝突速度	▲	○	△	30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

質量	電荷量	密度	△	注	注	13	今回の発表で取り上げた問題
白色塗料のしきい値の確定
衝突位置依存による出力変化

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

14	白色塗料のしきい値30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

15	

実験に使用した素子
impact area

back side
5mmno	  WP	With	  WP	

5mmelectrode

40mm

With WP	

40mm

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

WP thickness : ≈ 60 µm
銀電極 : 5 μm
PZT thickness : 2 mm

16	

実験に使用した素子	  electrode	  	40mm

40mm
30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

17	

Set up method

CPPA	  BOX	PMT	Slide	

PZT×4	  PZT×4	  PMT	Beam	  line	  PMT	Set	  up	Beam	  line	  30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

18	白色塗料のしきい値
結果30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

19	

白色塗料を塗ったときのしきい値決定	
• HITの実験値	
運動量 : 3.5×10-14 kg km/sec
出力があった最小運動量
4.2 10-14 kg km/sec
出力があった最小粒子質量1.36 10-14 kg
出力があった粒子速度範囲1.91 - 3.11 km/sec
4.2×10-14

運動量が大きくても粒子質量がある一定以下だと検出ができないのではないか？	  
粒子質量が小さく，高速度での実験が必要→MPI	  (MDMの場合は20km/sec	  以上)	  30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

20	

PZTD測定時の粒子出力情報	
最高速度 : 6.88 km/sec
最低速度 : 0.90 km/sec

PMTも反応するものの出力波形が見えない

最大質量 : 7.84
最小質量 : 7.87

10-14 kg @1km/sec
10-17 kg @6.88 km/sec

最大運動量 : 9.05
最小運動量 : 5.42

10-14 kg km/sec
10-16 kg km/sec

HIT
運動量 : 4.2 10-14 kg km/sec以下は出力無し

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

21	白色塗料の検出しきい値●HIT●MPI-K
粒子質量が4 10-14 kg以下

粒子質量が4 10-14kg以下，運動量 4.2 10-14 kg km/sec(速度1km/sec) 以上での出力確認を行ったが，白色塗料を塗布した場合検出ができなかった
粒子質量：1.4 10-14kg(@ 3km/sec)以上
粒子運動量 4 10-14kg km/sec以上
30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

22	€basic concept	  	urρ c − ρ 2c 2= 1 1ui
ρ1c1 + ρ 2c 2

境界面における反射と透過Ⅰ	  ρ1c1ut2 ρ1c1=ui
ρ1c1 + ρ 2c 2Ⅱ	ρ2c2

€

Input
Transmission
Reflection

Ⅱ: domain of PZT

Ⅰ: domain of WP*ρc : specific acoustic resistancepropagation velocity cc =M

ρ(	MρParticle velocity

Reflection : 0.830
Transmission : 0.170

Prρ 2c 2 − ρ1c1=
Pi
ρ1c1 + ρ 2c 2€Pt
2ρ 2 c2=Pi
ρ1c1 + ρ 2 c2€€)	: velocity: Elastic modulus: Density €⎛ ρ1c1 − ρ 2 c2 ⎞ 2⎛ Ut ⎞ 2R = ⎜⎟ = ⎜⎟⎝ Ui ⎠⎝ ρ1c1 + ρ 2 c2 ⎠⎛ P ⎞ ⎛ U ⎞
4 ρ1c1ρ 2 c2
τ = ⎜ t ⎟ ⎜ t ⎟ =2⎝ Pi ⎠ ⎝ U i ⎠
( ρ1c1 + ρ2 c2 )Energy€Reflection : 0.688
Transmission : 0.31230	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

23	

eﬀect of white paint
Amplitude of PZT without white paint

Amplitude of PZT with white paintCondition
particle velocity : *** km/s
particle mass
: D kgmomentum: M kg km/s
Amplitude : 	

Condition
particle velocity : *** km/s
particle mass
: D kgmomentum: M kg km/s
Amplitude:	

X mV

Y mVTransmission of experiments	

Y=ZX

X	  :	  Amplitude	  (P-­‐P)	  :415	  mV	Average of momentum :2.20 10-13 kg km/sec

Y	  :	  Amplitude	  (P-­‐P)	  :	  285	  mV	€

Average of momentum : 2.20

Z = 0.68675
about 70%
白色塗料がない時の70%の出力

10-13 kg km/sec
30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

24	Conclusion of experiments	  Sep 2010 HITにおいての実験値から求められたしきい値
PAT	  A	PAT	  D	  with	  white	  paint	threshold	  momentum	  :	  about	  1.75*10-­‐14	  kg	  km/sec	  mass	  :	  about	  7.44*10-­‐15	  kg	  (Velocity	  :	  about	  1.44	  km/sec)	  threshold	  momentum	  :	  about	  4.20*10-­‐14	  kg	  km/sec	  mass	  :	  about	  1.36*10-­‐14	  kg	  (Velocity	  :	  about	  	  1.91	  	  km/sec)	  NOV 2010 MPIにおいての実験値から求められたしきい値
PAT	  A	threshold	  momentum	  :	  about	  1.25*10-­‐15	  kg	  km/sec	  mass	  :	  about	  8.72*10-­‐16	  kg	  (Velocity	  :	  about	  1.43	  km/sec)	  白色塗料を塗布時の出力

Z = 0.68675
about 70%
（白色塗料無しの時の出力を１とする）

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	25	衝突位置依存30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

26	

PZTA dependent on position
40mm

10mm
side

center

40mm

Center
出力と運動量に相関が見られる
出力電圧 : 0.02-0.16 V
Side
出力がばらつく
出力電圧 : 0.02~0.08V30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	27	

問題がありました
40mm

40mm

side

ビーム照射範囲がΦ10mm
照射位置centerとsideの距離が10mmどちらとも同じ範囲での衝突の可能性

center30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

28	

電極にしか当たらない条件でのデータと必ず電極から外れる条件でのデータの比較①実験時にコリメーター導入	  ②出力波形から衝突位置を割り出す	①のコリメータを導入して…	
Nd:YAG レーザを用いて衝突位置依存確認実験実施

PZTの前にマスクを置き照射した所にのみ穴をあける

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コリメータ作成済み
３月東海村での実験予定だったが地震の影響で実験が延期された

30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

29	レーザーを使った微粒子衝突模擬実験
レーザーによる応力発生原理•

慣性核融合の分野，または惑星の成因や惑星内部我々の実験のセットアップ•

大27mJ。の状態の理解のために，衝撃波を発生させるためにレーザーを直接ターゲットに照射して圧力を発•レンズで集光してアブレーションをさせた。スポット径は数百μm。

生させる方法がある。
•YAGレーザー1064nm，パルス幅は6-8nsec，最照射強度の強いパルスレーザーを固体試料に照射•

PZT検出器表面にレーザーをアブレーションさせ，高速微粒子衝突による応力を模擬した。



固体表面で電子・熱的・光化学的エネルギーに変換

中性粒子・電子・プラズマなどのプルームが短時間の間に爆発的に放出されるパルスレーザーアブレーショ

•

応力発生。
•ンといわれる現象
•

レーザーエネルギーが10mJのとき，約0.2kbarの実際の微粒子衝突を模擬するには，より小さなスポット径と短いパルスのレーザーが必要。

•

アブレーション圧力の発生

とりあえずの簡便な方法としてはよいのでは。

アブレーション圧力の経験式
P=0.86(I/λ)2/3 (Benuzzi et al. 1996)

Pは圧力[Mbar]，Iはレーザー集光強度[1014W/cm2]，はレーザー波長[μm]30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

PZT	  Detector	

30	

Nd:YAGレーザで照射した時の出力波形です
レーザー出力：約15mJ
1	2	5mm間隔	

3	
1 2 3 454	Time 10-6 sec

5	
定性的ながらもこのレーザーの解析から粒子照射実験で必ず電極から外れ条件での取得したデータは，上記の4番以外の波形を示している事が確認できた
微粒子照射時の詳細な解析には未だ至っていない
30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

31	

まとめ
現在まで運動量のみに着目していたが今回の実験で質量が大きく寄与する分かった	  MDMとして、微粒子の運動量だけでなく，質量にもしきい値がある事が判明	  今後白色塗料を塗布して観測する場合の重要参照データとなる	

PZT	  without	  	  white	  paint	PZT	  	  with	  white	  paint	threshold	  momentum	  :	  about	  1.25*10-­‐15	  kg	  km/sec	  mass	  :	  about	  8.72*10-­‐16	  kg	  (Velocity	  :	  about	  1.43	  km/sec)	  threshold	  momentum	  :	  about	  4.20*10-­‐14	  kg	  km/sec	  mass	  :	  about	  1.36*10-­‐14	  kg	  (Velocity	  :	  about	  	  1.91	  	  km/sec)	  衝突位置による出力波形変化がある事がわかる
レーザー照射における衝突位置依存を計測した事から衝突位置による出力波形変化がある事がわかった．
レーザー実験の結果から定性的ながらも解析すると，電極から外れたイベントは，4番以外の特徴を持たない波形である．
実験データ解析の新たなフローチャートが出来る30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

32	

MDMデータの解析方法
Raw data	

現在まで，振幅のみに着目されていたが実は波形確認が重要電極に衝突する場合とそうでない場合の出力が異なるために校正方法が異なる重要波形を確認！！
on	  or	  oﬀ	

oﬀ	on : 電極の上に衝突
oﬀ : 電極上ではない所

on	

on	  event	  analysis	

oﬀ	  event	  analysis	

amplitude 確認

amplitude 確認30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	

33	

今後の展望• 衝突位置依存による出力波形変化• 微粒子衝突実験とレーザー実験の相関をとる• 新しい電極の可能性を探る
PZTの新しい電極やPZT素子８層• PZT素子と増幅器の最適化• PZT内の衝突エネルギーの伝搬の解析
30	  Mar	  2011	  CPS	  Seminar	34