そこで計量標準総合センター(NMIJ)では、室温以下極低温領域までの線膨張率を絶対測定できるレーザ干渉計と冷凍機冷却式光学クライオスタットによる線膨張率計測システムを開発した。

【低温用線膨張率計測システムの説明】
　図に室温以下極低温領域用線膨張率計測システムの概略を示す。

　計測システムは、校正対象とする試験片の温度を精密に測定しかつ制御する部分と、試験片の温度変化に伴う寸法変化を計測する部分の２つから構成されている。試験片（最大20×20×t7もしくはφ6×20）はGM冷凍機により冷却されるコールドヘッドに取りつけられた試料セル内の試料ホルダーに取りつけられている（写真１）。試験片が鏡面加工できる場合は干渉計とは反対側に補助の反射鏡が１枚置かれる（鏡面加工できない試験片の場合は前面にも反射鏡を置いたサンドイッチされた状態となる）。これにより試験片の寸法変化を反射面の間隔変化に置き換えている。温度変化に伴う熱膨張による試験片と反射鏡の間に隙間の発生や反射鏡が傾き光学的アライメントの狂いを防ぐため、試料ホルダーには放電加工により作製された平行バネ機構が組み込まれている。また、試験片の温度変化は試料ホルダーに埋め込まれている抵抗温度計によりmKオーダーでの分解能で検出される。

図：計測システムの概要図

写真１：試験片設置時の様子

　一方、温度変化に伴う試験片の寸法変化は、He-Neレーザを光源とするレーザ干渉計（写真２）により、レーザ光の波長を基準としてナノメートルオーダーで絶対測定される。本測定システムで用いられているレーザ干渉計は温度変動による試験片の姿勢変化による"みかけ"の寸法変化を自動的にキャンセルする機能もち、かつその光学的配置により冷凍機のオペレーションによる振動の影響をほぼ取り除くことが出来るため、高い分解能を維持したまま極低温までの変位測定を行うことが可能となっている。

　現在、本測定システムを用いて極低温領域における線膨張率標準物質の開発を進めており、2007年度には単結晶シリコンによる標準供給を開始する予定である。

写真２：レーザ干渉計の模式図と写真