2013 Fiscal Year Annual Research Report
宇宙背景ニュートリノの崩壊探索に用いる超伝導赤外線検出器の開発
| Project Area | Unification and Development of the Neutrino Science Frontier |
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| Project/Area Number |
25105007
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
金 信弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (50161609)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武内 勇司 筑波大学, 数理物質系, 講師 (00375403)
吉田 拓生 福井大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30220651)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | ニュートリノ質量 / 宇宙背景ニュートリノ / 超伝導トンネル接合素子検出器 / 宇宙赤外線背景輻射 / 左右対称模型 / SOI-STJ一体型検出器 / ハフニウムSTJ |
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| Research Abstract |
本研究では， 宇宙背景ニュートリノ崩壊を探索するために、25meV程度の遠赤外線光を一光子ごとに２％の精度でエネルギーを測定できるNbとAlを超伝導素材とする超伝導トンネル接合素子（STJ）検出器と分光素子を組み合わせた観測装置の開発を行ってきた。
2017年に予定している赤外線観測ロケット実験のために，2013年度にSTJ検出器プロトタイプで性能試験を行い，下記の項目について開発を進めてきた。 Nb/Al-STJ検出器プロトタイプの性能試験を行い、測定装置の改良と検出器サイズを小さくすることによって，ノイズとリーク電流を減少させS/N比を30倍程度改善した。さらにS/N比を改善するために極低温0.9Kで動作するSOIトランジスタのボード上にNb/Al-STJをプロセスしたSOI-STJ一体型検出器を設計製作して，性能試験を行ない、SOIトランジスタ、STJともに0.9Kで正常に動作することを確認した。低ノイズでの遠赤外線ビーム入射のための装置の設計製作を進めた。ロケット搭載に向けた0.9Kの3He吸収冷却型クライオスタットおよびデータ通信システムの設計開発を行った。ニュートリノ崩壊探索実験のシミュレーションを行い，超伝導検出器実証モデルのSTJ検出器およびロケット搭載が可能な極低温環境測定装置を設計するための基礎データを得た。
また，2020年頃の赤外線観測衛星搭載に向けて，よりエネルギー分解能の高いHf-STJ検出器のプロトタイプを作成し，性能試験を行った。１チャンネルのHf-STJ検出器プロトタイプを作成し，性能試験を行い，Hf-STJとして機能するチップの作成方法を改善するとともに、可視光レーザー光に対する応答を観測することに成功した。
これらの研究成果を国際会議等で報告し，会議での情報交換を通して検出器開発の推進に反映させた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，まず超伝導赤外線検出器のS/N比を大幅に改善して遠赤外線光子を光子ごとに検出することを目指して開発を進めている。そのためにNb/Al-STJ検出器プロトタイプの性能試験を行い、測定装置の改良と検出器サイズを小さくすることによって，ノイズとリーク電流を減少させS/N比を30倍程度改善した。さらにS/N比を改善するために極低温0.9Kで動作するSOIトランジスタのボード上にNb/Al-STJをプロセスしたSOI-STJ一体型検出器を設計製作して，性能試験を行ない、SOIトランジスタ、STJともに0.9Kで正常に動作することを確認した。このような前置増幅器と一体化したSTJは世界で初めて作成された。このようにS/N比の改善は順調に進んでいる。また低ノイズでの遠赤外線ビーム入射のための装置の設計製作を計画通り進めている。ロケット搭載に向けた0.9Kの3He吸収冷却型クライオスタットおよびデータ通信システムの設計開発も予定通り進められている。ニュートリノ崩壊探索実験のシミュレーションを行い，超伝導検出器実証モデルのSTJ検出器およびロケット搭載が可能な極低温環境測定装置を設計するための基礎データを得た。
また，よりエネルギー分解能の高いHf-STJ検出器のプロトタイプを作成し，性能試験を行い，Hf-STJとして機能するチップの作成方法を改善するとともに、可視光レーザー光に対する応答を観測することに世界で初めて成功した。
以上の成果は、ほぼ予定通りに開発が進んでいることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2017年に実施予定の赤外線観測ロケット実験に向けて，STJ検出器プロトタイプで性能試験を行い，下記の項目について開発を進める：Nb/Al-STJ検出器プロトタイプの開発をさらに進め，Nb/Al-STJ検出器製作・測定方法を改良してS/N比を改善して赤外線一光子の検出を目指す。これと並行して低ノイズの遠赤外線光源（波長40μm ～ 90μm）の開発を行う。赤外線一光子信号を検出するために極低温0.9Kで動作する前置増幅器の開発を2013年度に引き続いて進める。2013年度に引き続いて，前置増幅器としては，SOI型とHEMT型の2種類について開発を行う。特にSOI型については，SOI基板上にSTJを作成したSOI-STJ一体型の検出器の開発を進める。多チャンネルNb/Al-STJ検出器の試作を開始し，光学系・分光素子の開発試作を進め，多チャンネルNb/Al-STJ検出器と分光素子・光学系を組み合わせた赤外線分光装置の開発を行う。2017年の宇宙赤外線観測ロケット実験のため，ロケット搭載用クライオスタットの設計試作および読み出しエレクトロニクスの設計、データ通信装置の設計を行う。ニュートリノ崩壊探索実験のシミュレーションを行い，超伝導検出器実証モデルのSTJ検出器およびロケット搭載が可能な赤外線観測装置の設計を進める。また，2020年頃の赤外線観測衛星搭載に向けて，よりエネルギー分解能の高いHf-STJ検出器のプロトタイプを作成し，性能試験を行う。赤外線レーザーによる信号検出を目指す。
勉強会，グループミーティング，研究会等を行って，情報交換を通して知識の向上をはかるとともに，検出器開発・実験設計の計画を練り上げる。研究成果を国際会議等で報告し，会議での情報交換を通して検出器開発・実験設計の推進に反映させる。
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[Journal Article] Search for Cosmic Background Neutrino Decay2014
Author(s)
S. H. Kim, Y. Takeuchi, K. Nagata, K. Kasahara, T. Okudaira, H. Ikeda, S. Matsuura, T. Wada, H. Ishino, A. Itsuki, S. Mima, T. Yoshida, Y. Kato, M. Hazumi, Y. Arai, E. Ramberg, J. H. Yoo, S. B. Kim
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Journal Title
JPS Conf. Proc.
Volume: 1
Pages: 013127-1,6
DOI
Peer Reviewed
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