低温装置における鏡材選定の重要性とその評価
北川祐太朗 (東京大学 天文学教育研究センター)＜Collaborator＞
山形豊、森田晋也 (理化学研究所 先端光学素子開発チーム)
尾崎忍夫(国立天文台 TMT推進室)、SWIMSチーム (東大天文セ)
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

本日のお話すること(1) 赤外装置で用いられる鏡材(2) 超精密切削加工の必要性(3) 低温での鏡面形状測定
本研究の目的
冷却環境下で使用される光学素子において、最適な鏡材を見出す
注) 本講演では「鏡材」として、特にアルミニウム合金を取り上げる
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(1) 赤外装置で用いられる金属鏡材の例✔ アルミニウム (合金)
－ 非鉄金属において代表的な金属材料

赤外装置における利点
1) 軽い (~ 2.7 g/cm3)
2) 加工性が良い
3) 熱伝導性よし4) 比強度高し
日本語版 Wikipediaより

第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

5) 真空特性よし(2-1) 超精密切削加工の必要性✔ 近年、複雑形状をもつミラーアレイの需要が高まっている＜イメージスライサー型面分光ユニット SWIMS-IFU＞① スライスミラーアレイ② 瞳ミラーアレイ③ スリットミラーアレイ

Kitagawa et al., SPIE proc. (2014)
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(2-1) 超精密切削加工の必要性✔ 近年、複雑形状をもつミラーアレイの需要が高まっている
瞳ミラー

スリットミラースライスミラー
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(2-2) ミラーアレイ製作の問題点✔ 作るだけなら、(おそらく) 難しくはない

しかし…
天体観測では光子を少しでも多く集めたい⇔

表面精度に要求値が存在

加工可能性と表面精度の両立が課題
研磨加工 (主に硝材)●長所
表面粗さが小さい確立された手法○短所
熱設計の複雑さ
複雑形状・非球面加工の困難
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

切削加工 (主に金属材料)●長所
支持構造と同じ母材を選べる
非球面加工が容易○短所
表面粗さ、形状誤差が(研磨加工と)大きい

(2-3) 超精密切削加工による IFU ミラーアレイ製作✔ FRIDA/GTC の例
・0.4mm x 13.2 mm /slice (スライス数 30)

・形状：シリンドリカル (凹面)・平均表面粗さ Ra = 4.5 nm

現在の超精密加工機を用いれば、赤外域で要求される表面粗さ、形状精度は達成可能

Cuevas et al., SPIE proc. (2014)
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(3-1) 超精密切削加工に用いる母材✔ 超精密切削加工
・ダイヤモンド工具の形状を母材に精確に転写する
母材に何を選ぶかは重要なパラメータ
R = 0.5 mm

・アルミ合金の場合
副成分の種類によって、切削性が異なってくる
合金名

A2024

A5052

A6061

A7075

組成

Al-Cu

Al-Mg

Al-Mg-Si

Al-Zn-Mg

第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(3-1) 超精密切削加工に用いる母材✔ 超精密切削加工
・ダイヤモンド工具の形状を母材に精確に転写する
母材に何を選ぶかは重要なパラメータ
R = 0.5 mm・アルミ合金の場合
副成分の種類によって、切削性が異なってくる
合金名

A2024

A5052

A6061

A7075

組成

Al-Cu

Al-Mg

Al-Mg-Si

Al-Zn-Mg

本研究では、[1] 各種 Al合金を同条件で加工し、表面粗さを評価することで超精密切削加工に最適な母材の探索[2] 切削性で有利な NiP メッキに対して、Alとの熱膨張率の差異によるが低温での形状歪みの評価を目的として以下の加工、評価を行った。
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(3-2) 光学素子用途に最適化されたアルミニウム合金✔ RSP社製 光学素子向けシリーズ
・RSA-6061：急冷処理による粒形の極小化
・RSA-443 ：NiPに熱膨張率を合致・RSA-905 ：単体で直接研磨が可能 (試験段階)

http://www.rsp-technology.com/brochures.html より一部抜粋
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(3-3) アルミ合金＋NiPメッキ
利点・ 仕上がり表面粗さの向上 (最終仕上げに研磨も可能)
・ 保管性が良い (耐摩耗性、耐食性)

問題点
・ 赤外装置では光学系全体を真空冷却下に置く必要がある
低温では母材とメッキとの熱膨張係数の差異による形状変化の懸念

第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(3-4) 異種金属間の接合 (バイメタル効果)＜熱膨張係数の温度依存性＞✔ 線熱膨張係数 [10-6 /K]は、・ アルミニウム合金：~23Conventional
aluminum・ (無電解) NiP：~13＊いずれも常温 (293 K)の値

Electroless Ni

AlSi42(much the same as RSA443)

Kinast et al., SPIE proc. (2014)
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

conventional なアルミニウム合金では熱膨張係数の差異が大きく、低温での形状歪みが予想される

(3-4) 異種金属間の接合 (バイメタル効果)✔ アルミの熱膨張係数を、Si含有量でコントロールする＜ Si含有量の違いによる熱膨張係数の変化 ＞

Rohloff et al., SPIE pric. (2010)
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04＜ AlSi40の断面顕微鏡図 (x 100) ＞

(3-5) 低温下における鏡面形状評価＜熱膨張係数の温度依存性＞
Kinast et al., SPIE proc. (2014)

Conventional
aluminum

Electroless Ni
AlSi42(much the same as RSA443)

理研所有のULG-300で超精密切削加工
・10 x 10 mm (SR = 70 mm)[1] A5052 と [2] RSA443 (AlSi40) にそれぞれ NiPメッキ (厚さ 100 μm) を施し評価
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

(3-5) 実験セットアップ✔ ~ 80K で鏡面形状を測定できるセットアップを構築 (国立天文台ATC 所有のZygo干渉計を使用)＜測定手順＞

Zygo GPI
アッテネータフィルタ

真空デュワー
電圧計(温度計代わり)

第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04

真空引き
↓
常温測定
↓
(液体窒素による冷却)
↓
低温測定
↓
(昇温)
↓
常温測定

[1] A5052 + NiP＜300 K＞

第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04＜80 K＞

[2] RSA443 + NiP＜300 K＞

第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04＜80 K＞

(本講演のまとめ)✔ 赤外装置に最適なアルミニウム合金の探索
1) 各種 Al の超精密切削加工による切削性の評価 (ポスターに記載)
2) 冷却下使用を想定した形状歪み評価✔金属ミラー製作では以下の２つの方向性が考えられる
Ⅰ）母材のみ： 到達できる表面粗さに課題が残っているが、低温使用での歪みは無し
Ⅱ）母材＋メッキ ： 表面粗さは < 5 nm RMS が可能。低温での形状歪みがあるが、回避可能

・実験の結果、最適な鏡材として以下の候補を得た
Ⅰ）母材のみ：→Ⅱ）母材＋メッキ ： →RSA6061
RSA443

謝辞：本研究は国立天文台 TMT戦略基礎開発研究経費、特別研究員奨励費の支援を受けて行われました。
第4回 可視赤外装置技術ワークショップ @ 国立天文台 2014/12/03-04