2014 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 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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| Outline of Annual Research Achievements |
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，ニュートリノ崩壊時に発生する25meV程度の遠赤外線光のエネルギーを一光子ごとに2％以下の精度で測定できる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年度末に予定している宇宙赤外線観測ロケット実験に向けて、2014年度に下記の項目についてSTJ検出器の開発を進めてきた。Nb/Al-STJ検出器プロトタイプで性能試験を行い，検出器サイズを小さくすることと測定環境を改良することによってノイズとリーク電流を大幅に減少させた。Nb/Al-STJ検出器のリーク電流は実験要求値の0.1nAを下回った。これによってS/N比を10倍程度改善した。さらにS/N比を改善するために極低温0.4Kで動作するSOI（Silicon-On-Insulator）前置増幅器基板上に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，性能試験を行い，SOI-MOSFETとSTJが共に0.4K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0.4Kの3He吸着ポンプ式冷凍機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，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年以降の赤外線観測衛星搭載に向けて，より高いエネルギー分解能を有する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の作成方法を改善した。
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，遠赤外線光子を一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で性能試験を行い，検出器サイズを小さくすることと測定環境を改良することによってノイズとリーク電流を大幅に減少させた。測定環境としては，無冷媒3He吸着ポンプ式冷凍機を導入して，極低温0.4KまでのNb/Al-STJ検出器の性能試験を低ノイズで効率よく性能評価を行う環境を整えることができた。Nb/Al-STJ検出器のリーク電流は実験要求値の0.1nAを下回った。これによってS/N比を10倍程度改善した。さらにS/N比を改善するために極低温0.4Kで動作するSOI前置増幅器基板上に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，性能試験を行い，SOI-MOSFETとSTJが共に0.4Kで正常に動作することを確認した。このような極低温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に進めている。ロケット搭載に向けた0.4KのHe3吸着ポンプ型冷凍機およびデータ通信システムの設計開発も予定通り進めている。ニュートリノ崩壊探索実験のシミュレーションを行い，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，より高いエネルギー分解能を有する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年度末に実施予定の宇宙赤外線観測ロケット実験に向けて，2014年度に引き続いて，下記の項目についてSTJ検出器の開発を進める： 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を検出できるNb/Al-STJ検出器を作成する。これと並行して低ノイズの遠赤外線光源（波長40μm ～ 90μm）の開発を行い，この光源を用いたNb/Al-STJ検出器の性能試験を行う。赤外線一光子信号を検出するために極低温で動作する前置増幅器の開発を2014年度に引き続いて進める。SOI前置増幅器の基板上にSTJを作成したSOI-STJ一体型の検出器の開発を進める。また、効率よく性能評価を行うために，2014年度に整備した無冷媒3He吸着ポンプ式冷凍機を用いて，極低温0.4KまでのNb/Al-STJ検出器の性能試験を行う。多チャンネルNb/Al-STJ検出器の試作および分光素子の開発試作を進め，これらを組み合わせた赤外線分光装置の開発を行う。2017年度末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、読み出しエレクトロニクスおよびデータ通信装置の設計を進める。ニュートリノ崩壊探索実験のシミュレーションを行い，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年以降の赤外線観測衛星搭載に向けて，より高いエネルギー分解能を有するHf-STJ検出器の開発を進める。2015年度に赤外線レーザーを用いてHf-STJ検出器のプロトタイプの性能試験を行い，Hf-STJの作成方法をさらに改善する。
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，検出器開発計画・実験設計を練り上げる。研究成果を国際会議等で報告し，会議での情報交換を検出器開発・実験設計の推進に反映させる。
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[Journal Article] Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detector on SOI Preamplifier Board to Search for Radiative decays of Cosmic Background Neutrino2014
Author(s)
K. Kasahara, S.H. Kim, Y. Takeuchi, R. Senzaki, K. Nagata, T. Okudaira, M. Kanamaru, T. Ichimura, K. Moriuchi, K. Kiuchi, Y. Arai, M. Hazumi, H. Ikeda, S. Matsuura, T. Wada, S. Mima, H. Ishino, T. Yoshida, Y. Kato, E. Ramberg, M. Kozlovsky, P. Ruvinov and D. Segratskov
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Journal Title
Proceedings of Science
Volume: TIPP2014
Pages: 074-1 ～ 074-8
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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