サブミリ波2000 画素カメラの開発

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25247022
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 関本 裕太郎 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (70262152)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 成瀬 雅人 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (10638175)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ミリ波サブミリ波 / 超伝導MKID検出器 / 広視野冷却光学系 / 宇宙マイクロ背景放射 / テラヘルツ波パッシブイメージング

Outline of Annual Research Achievements

宇宙マイクロ波背景放射のB-mode 偏光観測や遠方銀河の観測のために、ミリ波～サブミリ波の超伝導MKIDカメラの開発を進めた。平成26年度は、600画素 220 GHz MKIDカメラの評価をすすめつつ2000画素に向けて以下の要素技術の開発をすすめた。
１、ミリ波2000画素カメラを望遠鏡と効率良く結合する広視野冷却光学系の設計をおこなった。極低温0.1K希釈冷凍機に直径15cmのミリ波の窓をつけ、アルミナレンズとシリコンレンズを組合わせて、F#6からF#1への変換する。迷光を減らすために、cold nested baffleやcold aperture stopの工夫をおこなった。
２、反射防止膜(anti-reflection coating: ARC)の開発に成功した。アルミナやシリコンは誘電率が大きいために、反射防止コーティングが重要となる。２種類のエポキシ材を混合して、その誘電率を制御し、厚みは機械加工で制御した。
３、画素密度を高く、かつ、きれいなビームを受信するマイクロレンズアレイの設計をおこなった。これによりシリコンを用いたマイクロレンズアレイの機械加工が最適化された。さらに、マイクロレンズアレイとMKID基板のアライメントのズレによるシミュレーションにより、220GHz では20 micro-m以下に抑える必要があることを示した。実際、レンズアレイと基板に穴をあけて、10 micro-mで調整できることも示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

サブミリ波2000画素超伝導MKIDカメラの開発にむけて、順調に進展している。平成26年度、600画素MKIDカメラの試作に成功した。また、研究実績の概要に記述したようにサブミリ波2000画素MKIDのための要素技術の開発をすすめた。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度は、順調に計画が進展した。よって、平成27年度は、2000画素MKIDの試作を始める予定である。MKIDの読出し回路の開発も引き続きおこなう。シリコンマイクロレンズアレイの機械加工の高速化などの検討もおこなう。並行して、600画素MKIDカメラの試験評価をすすめ、2000画素MKIDカメラの開発にフィードバックをおこなう。
さらに、開発した220GHz-600画素MKIDカメラを天体望遠鏡に搭載する可能性を探る。

Research Products

• [Journal Article] Development of a Compact Cold Optics for Millimeter and Submillimeter Wave Observations (2015)
  • Author(s): Sekiguchi, S., Nitta, T., Karatsu, K., Sekimoto, Y., Okada, N., Tsuzuki, T., Kashima, S., Sekine, M., Okada, T., Shu, S., Naruse, M., Dominjon, A., Noguchi, T., Matsuo, H.,
  • Journal Title: IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology Volume: 5 Pages: 49 - 56
  • DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2367245
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Design of Wide-field Nasmyth Optics for a Submillimeter Camera (2015)
  • Author(s): Tsuzuki, T., Nitta, T., Imada, H., Seta, M., Nakai, N., Sekiguchi, S., Sekimoto, Y.,
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 1 Pages: 025002
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.1.2.025002
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fabrication of 721-pixel silicon lens array of an Microwave Kinetic Inductance Detector camera (2015)
  • Author(s): Mitsui, K., Nitta, T., Okada, N., Sekimoto, Y., Karatsu, K., Sekiguchi, S., Sekine, M., Noguchi, T.,
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 1 Pages: 025001
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.1.2.025001
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Microwave Kinetic Inductance Detector for Cosmological Observations (2015)
  • Author(s): Karatsu, K., Y. Sekimoto et al.
  • Journal Title: IEICE Transactions on Electronics Volume: E98-C Pages: 207-218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anti-reflection Coating for Cryogenic Silicon and Alumina Lenses in Millimeter-Wave Bands (2014)
  • Author(s): Nitta, T., Sekiguchi, S., Sekimoto, Y., Mitsui, K., Okada, N., Karatsu, K., Naruse, M., Sekine, M., Matsuo, H., Noguchi, T., Seta, M., Nakai, N.,
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 176 Pages: 677-683
  • DOI: 10.1007/s10909-013-1059-3
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Close-Packed Silicon Lens Antennas for Millimeter-Wave MKID Camera (2014)
  • Author(s): Nitta, T., Karatsu, K., Sekimoto, Y., Naruse, M., Sekine, M., Sekiguchi, S., Matsuo, H., Noguchi, T., Mitsui, K., Okada, N., Seta, M., Nakai, N.,
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 176 Pages: 684-690
  • DOI: 10.1007/s10909-013-1028-x
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Measurement of MKID Performance with High-Speed and Wide-Band Readout System (2014)
  • Author(s): Karatsu, K., Naruse, M., Nitta, T., Sekine, M., Sekiguchi, S., Sekimoto, Y., Noguchi, T., Uzawa, Y., Matsuo, H., Kiuchi, H.,
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 176 Pages: 459-464
  • DOI: 10.1007/s10909-014-1115-7
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Developments of Wide Field Submillimeter Optics and Lens antenna-coupled MKID Cameras (2014)
  • Author(s): Sekimoto, Y., Nitta, T., Karatsu, K., Sekine, M., Sekiguchi, S., Okada, T., Shu, S., Noguchi, T., Naruse, M., Mitsui, K., Okada, N., Tsuzuki, T., Dominjon, A., Matsuo, H.,
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 9153 Pages: 9153P
  • DOI: 10.1117/12.2055666
  • Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Design of MKID focal plane array for LiteBIRD (2015)
  • Author(s): Y. Sekimoto
  • Organizer: International Symposium on Space Terahertz
  • Place of Presentation: Harvard University, USA
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-16
• [Presentation] Developments of Wide Field-of-View MKID Cameras for Millimeter and Submillimeter Astronomy (2014)
  • Author(s): Y. Sekimoto
  • Organizer: European Conf. Antennas and Propag. (EuCAP)
  • Place of Presentation: Den Haag, Netherland
  • Year and Date: 2014-04-07 – 2014-04-11
• [Patent(Industrial Property Rights)] サブ波長構造素子 (2015)
  • Inventor(s): 新田冬夢、関本裕太郎、野田一房
  • Industrial Property Rights Holder: 国立天文台, 雄島試作研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-36092
  • Filing Date: 2015-02-26