SAGA-LS Again

 今週一杯は、SAGA-LSで泊まり込み実験です。休講期間中は実験のチャンスです。コロナのご時世で予定変更を重ねまして、ようやく実験に辿り着けました。前回の実験の続きです。ホント、難しいご時世です。ご時世で学生さん達の同行はできないので、前回と同様に有明からは私一人です。残念。

真空加熱(アニール)実験の全容。

 上の写真は実験中のものです。真空チャンバー中に試料を入れて、手前右の電源から電流をたくさん流して600°Cで加熱しています。専門用語では、焼き鈍しの意である「annealing」(アニール)と言います。電流を流すと熱くなるのは、大丈夫ですね。

 「600°Cって、燃えるじゃん!!」と思ったそこのアナタ、大丈夫です。真空チャンバー中は真空度が10^-5~10^-6 Pa台に真空引きされていますので酸素はありません。酸素(助燃剤)がなければ燃えません。大気圧は1013 hPa ≈ 10^5 Paですから、大気よりも11桁空気が薄くなっています。高地トレーニングとしてはちょっとキツすぎますね。

 また、真空は優れた断熱材でもあるので、試料は600°Cにしていてもチャンバー自体は熱くはありません。すこーし暖かいかなというくらい。熱は、伝えるもの(空気とか金属とか)があるから熱いのです。

 「ていうか600°Cって、手前のメーター表示は620°Cじゃん!!」と思ったそこのアナタ、大丈夫です。この表示は試料近くに取り付けた熱電対からの信号です。ある種の合金は熱を帯びると、起電力すなわち電圧を発生させます。その電圧を計測することより、温度を見積もるのです。

 しかし熱電対の取り付け位置により測定される温度は変わりまして、試料位置ジャストの温度を測定するのは容易ではありません。どうしてもずれてしまいます。そこで「放射温度計」(Infrared thermometer)を用いてジャストな位置の温度を測定するのです。手前左のピンボケしている装置がそれですね。ビデオカメラのように、試料に焦点を合わせて測定します。熱電対は620°Cでも、放射温度計ではちゃんと600°Cとなっています(※ファインダーを覗けばわかりますが、その中の写真を取るのは難しかったです)。それに、600°Cが620°Cでも実験的には誤差の範疇です。温度というものは、電圧・電流と違って制御しにくいのです。0.1°Cを制御するシリコンウェハーの生産なんて、神業レベルですよ。

 放射温度計とは、試料が発する赤外線の波長から温度を正確に見積もるものです。赤外線、すなわち光かつ電磁波と温度の間には一定の関係性があります。量子力学のスタートで習う「プランクの法則」ですね。19世紀末、製鉄溶鉱炉の温度を正確に測定したいという要望に応えるため、マックス・プランクさんがプランクの法則を導き出し、ここから量子力学が始まりました。溶鉱炉から量子力学なんですよね。物事は思いがけないところから始まるものです。

 「量子力学なんて習ってなーい!!」と思ったそこのアナタ、大丈夫です。機会があればいつでも教えますよ。現代の科学技術を量子力学なしで理解しようなんて、そもそも不可能です。電子工学で習う半導体のバンド構造なんて、量子力学そのものですよ。

 では何故、こんな加熱実験をするのでしょうか? 実験手法としてはごくありふれたもので、珍しくはありません。

 温度を上げるということは、試料中の化学結合を活性化させます。温度に依存して特定の化学結合が切断されます。そうすると、化学結合が切れたままの原子は不安定ですから、近くの原子と別の化学結合を形成しようとします。こうして試料の化学構造は加熱により、別の化学構造に変わっていきます。この温度と化学構造との関係を、処理した試料の放射光分光測定をしては、逆に辿ってあーだこーだと考察していくことにより、元の試料の化学構造や物性などを調べて解いていくのです。

真空チャンバーの拡大図。中に見える試料が加熱で真っ赤になっていますね。
別の角度からさらに拡大。色が変わっていない測定穴の開いた抑え蓋の直下が試料です。

 この実験は結構時間がかかるので、朝から夜までずーっと実験しっぱなしです。でもこんな時を過ごしていると、日常の雑多なことを忘れられて、幸せを感じます。寝食を忘れて取り組むことがあり、かつそれができるというのは、とても幸せなことです。

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