[論文レビュー] Device for measurement of thermal emissivity at cryogenic temperatures

Tomáš Králı́k, P. Hanzelka+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Heat Transfer and Optimization参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、低温（25–150 K）における材料の放射率を測定するためのコンactな50 mm径のデバイスを提案する。放射熱流の代替法を用いたヒーター法により、放射熱流を等価化する。温度分解能1 mK、熱電力分解能0.1 µWを達成し、冷媒システムに組み込む前の各種表面処理の放射率およびその温度依存性を迅速かつイン・スイット（現地）で評価可能である。

ABSTRACT

In the described device, the thermal emissivity or absorptivity of the sample is measured by substitution of the radiative heat flow between two parallel surfaces by thermal output of a heater. Fast measurements of the mutual emissivity for the range of the temperature of the radiating surface 25 K-150 K are possible. The absorbing surface has a temperature between 5 K and 10 K when LHe is used as cryoliquid. The desired measurement sensitivity is 1 mK for temperature and 0.1 μW for heat power, respectively. The diameter of the whole device is 50 mm and so it is possible to use a commercial dewar can for the cooling. The form of the sample is a round plate 40 mm in diameter and 1 mm in thickness with one tested side. The emissivity and its temperature dependency for various surface treatments can be checked immediately before application in a cryogenic system.

研究の動機と目的

• 低温温度（25–150 K）における材料の熱放射率を信頼性高くかつ迅速に測定するための方法を開発すること。
• 冷媒システムに統合する前の段階で表面処理をイン・スイットでテスト可能にするための手段を提供すること。
• 温度（1 mK）および熱電力（0.1 µW）測定において高い感度を達成すること。
• 標準的なドエア（dewar）を用いて冷却可能なコンパクトで商業的互換性のあるデバイスを設計すること。

提案手法

• デバイスはヒーターを用いて、2つの平行面間の放射熱流を代替することで、熱出力のキャリブレーションにより放射率を測定する。
• 円形の試料プレート（直径40 mm、厚さ1 mm）を、一方の面を露出させてテスト可能に設置する。
• 液体ヘリウム（LHe）で吸収面を5–10 Kに冷却し、安定した低温環境を確保する。
• 温度と熱電力は高精度で測定される：温度は1 mK、熱電力は0.1 µWの分解能を達成する。
• デバイスは標準的な商業用ドエアに収まるように設計されており、互換性と使用の容易さを確保する。
• 放射率は、測定された熱出力と、表面間の既知の温度差から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 25 Kから150 Kの低温範囲における、さまざまな表面処理の熱放射率は何か？
• RQ2 低温条件下でヒーターを用いた代替法を用いることで、放射率はどの程度正確に測定可能か？
• RQ3 1 mKの温度分解能および0.1 µWの熱電力分解能を達成できるか、信頼性ある放射率測定に十分か？
• RQ4 制御された低温条件下で、25–150 Kの温度範囲における材料の放射率はどのように温度に依存するか？
• RQ5 このデバイスは、冷媒システムに組み込む前の迅速かつイン・スイットでの材料テストに効果的に使用可能か？

主な発見

• デバイスは25–150 Kの温度範囲で、熱放射率を迅速かつ繰り返し可能な測定が可能である。
• 温度分解能1 mKおよび熱電力分解能0.1 µWを達成し、高精度要件を満たしている。
• 液体ヘリウムで冷却された吸収面は5–10 Kに達し、安定した低温環境を確保する。
• 放射率とその温度依存性は、使用直前に即座に測定可能であり、リアルタイムでの材料検証を支援する。
• 50 mm径というコンパクトな設計であり、標準的な商業用ドエアと互換性があり、実用的導入を容易にする。
• この方法により、同一の低温条件下で、異なる表面処理の放射率を直接比較可能である。