光子計数技術を応用した新しい精密宇宙物理観測手法の開拓
| Project/Area Number |
20K20345
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| Project/Area Number (Other) |
18H05326 (2018-2019)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2020)
Single-year Grants (2018-2019) |
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| Review Section |
Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
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| Research Institution | National Astronomical Observatory of Japan |
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Principal Investigator |
江澤 元 国立天文台, アルマプロジェクト, 助教 (60321585)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松尾 宏 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (90192749)
藤井 剛 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30709598)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2019: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
Fiscal Year 2018: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
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| Keywords | 光子計数 / テラヘルツ / 宇宙物理観測 / 超伝導検出器 |
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| Outline of Research at the Start |
光子計数技術を応用し「光子統計」という概念を宇宙物理観測手法に導入する。具体的には、天体からの光子数の揺らぎに着目し、量子光学の分野で普遍的に用いられている手法を宇宙物理学や天文学の観測に応用する。本研究ではテラヘルツ帯に着目し、低リークの超伝導SIS検出器や高速の極低温読み出し回路等を開発して光子計数技術を確立する。これにより天体からの輻射機構や物理状態を高精度で同定する新たな手法を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
光子統計の概念を宇宙物理観測手法に応用することを目指して、超伝導検出器を用いた高速のテラヘルツ光子計数システムを構築している。本年度も前年度に引き続き、主として極低温環境の構築および極低温読み出し回路の開発を推進した。
薄膜ニオブをベースにした超伝導SIS接合を用いたPCTJにアンテナを結合し、0.8 Kの極低温で動作さることでサブミリ波からテラヘルツ領域での高速検出器を構成する。このために、前年度に引き続き、機械式の4 Kパルスチューブ冷凍機を組み込んだクライオスタットとヘリウム4吸着冷凍器を組み合わせた極低温環境を開発している。2台の吸着冷凍器を用いた極低温環境の連続冷却システムの原理検証に続き、本年度は実際の検出器および読み出し回路で想定される熱負荷のもとで、必要な極低温冷却性能が得られるようにシステムの最適化を推進した。装置の改良や制御パラメータの最適化、またLinuxを用いた自動制御システムの改良を進めた結果、想定される熱負荷100 μWのもとで、必要な冷却性能を長時間にわたって継続して維持できることを実験的に実証した。
これらと並行して、超伝導SIS検出器の感度や周波数特性の改良や、極低温読み出し回路の開発も引き続き推進している。初段の読み出し回路は、高速動作を意図し、ガリウム砒素電界効果トランジスタ(GaAs-JFET)で構成するソースフォロア回路を超伝導SIS検出器とともに極低温環境に設置する。これをクライオスタットに搭載し、実際に検出器の信号が読み出せることを確認した。また、後段の信号処理回路をガリウム砒素高電子移動度トランジスタ(GaAs-HEMT)のソースフォロアと極低温低雑音増幅器で構成し、広帯域信号の増幅が可能であることを確認した。
これらの成果を学会や国際会議で発表するとともに、検出器と極低温環境の開発に関してまとめた論文を査読誌に投稿した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
吸着冷凍器を用いた極低温冷却環境の長時間安定稼働が実現できたが、そのための装置、制御の改良に想定以上の時間を要した。世界的な情勢の影響等で、様々な資材の価格が高騰するなか、液体ヘリウムを用いた実験が困難になり、一部の測定系を組みなおす必要が生じた。また極低温部など特殊な部品類についても、極力自作への切り替えをすすめ、そのための設計検討も進めることになった。すでに研究前半部分が遅延し、補助金が研究計画後半部に繰り越された事情もあり、研究計画全体の進捗が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
パルスチューブ冷凍機と吸着冷凍器を用いた極低温冷却系の構築は一段落した。今後は超伝導SIS検出器の設計改良、再製作し、性能評価を実施する。液体ヘリウムが入手困難で従来の評価系が使えないので、機械式冷凍機ベースの新システムに評価系を構築する。極低温読み出し回路の開発もひきつづき進めるとともに、測定システムを完成させ、超伝導検出器による高速光子検出を実現する。
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Report
(6 results)
Research Products
(30 results)
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[Presentation] Terahertz Intensity Interferometry for High Angular Resolution Astronomy2023
Author(s)
Hiroshi Matsuo, Hajime Ezawa, Hitoshi Kiuchi, Mareki Honma, Norio Okada, Yasumori Murata, Tomohiro Koseki, Ayako Niwa, Nario Kunom, Rina Enohi, Masamichi Seta, Naomasa Nakai
Organizer
XXXVth URSI General Assembly and Scientific Symposium
Related Report
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[Presentation] Terahertz Intensity Interferometer Program from Dome-Fuji, Antarctica2023
Author(s)
Hiroshi Matsuo, Hajime Ezawa, Hitoshi Kiuchi, Mareki Honma, Norio Okada, Yasuhiro Murata, Ayako Niwa, Tomohiro Koseki, Nario Kuno, Rina Enohi, Masamichi Seta, Naomasa Nakai
Organizer
2023 Asia-Pacific Regional IAU meeting
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