Development of Highly Sensitive Radio Receiver for THz Astronomy

• Project/Area Number: 19H00702
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: Kwansei Gakuin University
• Principal Investigator: Seta Masumichi 関西学院大学, 理学部, 教授 (80358994)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 酒井 剛 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20469604) ; 中井 直正 関西学院大学, 理学部, 教授 (80192665)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥44,720,000 (Direct Cost: ¥34,400,000、Indirect Cost: ¥10,320,000); Fiscal Year 2022: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2021: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2020: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2019: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
• Keywords: 電波天文学 / 電波天文 / SIS素子 / ヘテロダイン受信機 / 電波望遠鏡受信機

Outline of Research at the Start

テラヘルツ帯（1～3 THz）は電波天文学の最後の観測空白域である。星間物質の冷却過程で重要な電離炭素原子や電離窒素原子の輝線等、天文学上重要な帯域である。観測を妨げていたのは、観測サイトの問題であるTHz帯の大気での吸収が強いことと、高感度受信機が無いという技術的な要因である。本研究では、電波分光観測検出素子（SIS）に、新たな材料を用いて、これまで不可能と思われてきた1 THzを超えて2.4 THzまで動作可能なSIS素子の製作及び、そのSIS素子を搭載した、地上で唯一THz帯の観測可能な南極内陸部での運用を想定した、高感度ヘテロダイン却受信機を開発する。

Outline of Final Research Achievements

We succeeded in manufacturing Nb3Ge layer on Si substrate as a new device as a mixer for heterodyne detection in THz astronomy. However we need further improvement as a highly sensitive device. We developed a 4K class cry receiver that works only power consumption of 1.8 kW. Antarctic plateau is only site on earth for THz astronomy. Our plan of operations of 30cm telescope in new Dome Fuji Station is approved as a research project of National Institute of Polar Research, that open a way to operate our developed THz receiver in antarctica.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

テラヘルツ帯は、電波天文学の最後の観測空白域である。星間物質の冷却過程で重要な電離炭素原子CIIの輝線（1.9THz）や電離窒素原子NIIの輝線（1.46 THz）等、他の周波数領域では観測できない輝線があり天文学上重要な帯域である。長年観測を妨げていたのは、テラヘルツ帯の電波は大気での吸収が強いという観測サイトの問題、及びテラヘルツ帯では高感度受信機がないという技術的な要因である。本研究は、THz帯の受信機の高感度化に有用な、Nb3Geの薄膜生成技術の進展、南極大陸内陸部の地上で唯一の観測サイトである、南極新ドームふじ基地での天文台開設の目処がたった点に意義がある。

Research Products

• [Journal Article] 高感度電波望遠鏡受信機によるテラヘルツ天文学 (2022)
  • Author(s): 瀬田益道
  • Journal Title: 光学 Volume: 51 Pages: 319-324
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of the Physical Origin of Overionized Recombining Plasma in the Supernova Remnant IC 443 with XMM-Newton (2021)
  • Author(s): Okon Hiromichi、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Seta Masumichi、Kokusho Takuma、Smith Randall K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 921 Issue: 2 Pages: 99-99
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1e2c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Relating gas dynamics to star formation in the central region of the barred spiral galaxy NGC 613 (2021)
  • Author(s): Sato Keisuke、Miyamoto Yusuke、Kuno Nario、Salak Dragan、Wagner Alexander Y、Seta Masumichi、Nakai Naomasa
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 73 Issue: 4 Pages: 1019-1035
  • DOI: 10.1093/pasj/psab060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic carbon [CI](3P1-3P0) mapping of the nearby galaxy M83 (2021)
  • Author(s): Miyamoto Yusuke、Yasuda Atsushi、Watanabe Yoshimasa、Seta Masumichi、Kuno Nario、Salak Dragan、Ishii Shun、Nagai Makoto、Nakai Naomasa
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: - Issue: 3 Pages: 552-567
  • DOI: 10.1093/pasj/psab020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ALMA Observations of Atomic Carbon [C I] ( 3 P 1 → 3 P 0 ) and Low-J CO Lines in the Starburst Galaxy NGC 1808 (2019)
  • Author(s): Salak, Dragan; Nakai, Naomasa; Seta, Masumichi; Miyamoto, Yusuke
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 887 Issue: 2 Pages: 143-166
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab55dc
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 南極 30 cm サブミリ波望遠鏡用光学ポインティングシステムの開発 II (2023)
  • Author(s): 茅野太一, 久野成夫, 本多俊介, 瀧口風太, 青木美和, 西堀俊幸, 瀬田益道, 南極天文コンソーシアムメンバー
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] ALMA望遠鏡による吸収線観測で探る分子雲内部の中性炭素と一酸化炭素の関係 (2022)
  • Author(s): 宮本祐介, 瀬田益道, 中井直正, Salak Dragan, 渡邉祥正, 石井峻, 長谷川哲夫, 幸田仁
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
• [Presentation] Antarctic 30-cm Submm Telescope Project (2022)
  • Author(s): Nario Kuno, Shunkue Honda, Takuya Hashimoto, Futa Takiguchi, Miwa Aoki, Taichi Kayano, Masaki Iwata, Hiro Saito, Masumichi Seta, Naomasa Nakai, Kazuo Sorai, Dragan Salak, Chuya Handa, Makoto Nagai, Hiroshi Matsuo, Tomofumi Umemoto, Takahumi Kojima, Daisuke Iono, Yoshinori Uzawa
  • Organizer: RIKEN-NICT-East Asia Receiver Joint Workshop 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement in gain stability of 20GHz receiver (2022)
  • Author(s): Tai Kawachi, Masumichi Seta, Shuto Fujimori, Nario Kuno
  • Organizer: RIKEN-NICT-East Asia Receiver Joint Workshop 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigations of Nb3Ge Thin Films on Si Substrates (2022)
  • Author(s): Mina Matsuura, Takeshi Sakai, Takashi Noguchi, Masumichi Seta
  • Organizer: RIKEN-NICT-East Asia Receiver Joint Workshop 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antarctic 30-cm Submm Telescope Project (2022)
  • Author(s): Nario Kuno, Masumichi Seta, Kazuo Sorai, Naomasa Nakai, Makoto Nagai, Shunsuke Honda, Hiroshi Matsuo, Tomofumi Umemoto, Dragan Salak, Takuya Hashimoto
  • Organizer: 2022 URSI-Japan Radio Science Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 南極テラヘルツ望遠鏡計画 (2021)
  • Author(s): 久野成夫、新田冬夢、 橋本拓也、 齋藤弘雄、Dragan SALAK、中井直正、瀬田益道、徂徠和夫、永井誠、梅本智文、松尾宏、他南極天文コンソーシアム
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Presentation] 南極からの [N II] 1.46THz 輝線による銀河面サーベイ (2021)
  • Author(s): 梅本智文、久野成夫、齋藤弘雄、徂徠和夫、瀬田益道、中井直正
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Presentation] 近傍渦巻銀河 M83 の [CI] mapping 観測 (2021)
  • Author(s): 宮本祐介、保田敦司 、渡邉祥正、瀬田益道、久野成夫、石井峻、永井誠、中井直正
  • Organizer: 日本天文学会2021秋季年会
• [Presentation] 南極テラヘルツ干渉計による原子輝線の観測計画 (2021)
  • Author(s): 松尾宏、江澤元、鎌崎剛、新田冬夢、丹羽綾子、久野成夫、瀬田益道、中井直正
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 南極 30cm サブミリ波望遠鏡計画 (2021)
  • Author(s): 久野成夫、新田冬夢、 橋本拓也、齋藤弘雄、Dragan SALAK、瀧口風太、小山 徹、加藤良寛、瀬田益道、中井直正、徂徠和夫、八嶋裕、清水一揮、永井 誠、梅本智文、小嶋崇文、鵜澤佳徳、伊王野大介、長崎岳人、他南極天文コンソーシアムメンバー
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 南極 30cm サブミリ波望遠鏡 受信機広帯域化 (2021)
  • Author(s): 瀧口風太、久野成夫、 新田冬夢、 齋藤弘雄、瀬田益道、中井直正、小嶋崇文、鵜澤佳徳、伊王野大介、長崎岳人、他南極天文コンソーシアムメンバー
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 南極 30cm サブミリ波望遠鏡用光学ポインティングシステムの開発 (2021)
  • Author(s): 小山 徹、齋藤弘雄、 加藤良寛、久野成夫、Dragan SALAK、瀬田益道、永井誠、他南極天文コンソーシアムメンバー
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 南極 30cm サブミリ波望遠鏡のデジタル分光計の整備 (2021)
  • Author(s): 八嶋裕、徂徠和夫、清水一揮、久野成夫、永井誠 、瀬田益道、他南極天文コンソーシアムメンバー
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 2SB receivers for observation of atomic carbon lines (2019)
  • Author(s): M. Seta
  • Organizer: East Asian ALMA Development Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ALMA 望遠鏡による NGC1808 中心の星形成領域の多輝線観測 (2019)
  • Author(s): 入倉 柚貴,Dragan Salak, 瀬田 益道, 中井 直正
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] Fabrication of Nb3Ge thin films (2019)
  • Author(s): Hiroki Yamashita
  • Organizer: East Asian ALMA Development Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] THz帯SIS素子の開発の現状－1.5-2.0 THz帯SISミキサの開発に向けて (2019)
  • Author(s): 野口 卓
  • Organizer: テラヘルツ波が拓く新しい宇宙像
• [Remarks] https://sci-tech.ksc.kwansei.ac.jp/~seta/
• [Remarks] https://sci-tech.ksc.kwansei.ac.jp/~seta/
• [Remarks] 関西学院大学理工学部物理学科瀬田研究室
  • URL: https://sci-tech.ksc.kwansei.ac.jp/~seta/