南極サブミリ波望遠鏡搭載用超伝導１０００画素カメラの開発

• Project/Area Number: 13J01164
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan (2014); University of Tsukuba (2013)
• Principal Investigator: 新田 冬夢 国立天文台, 先端技術センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥2,530,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 電波 / ミリ波サブミリ波 / 南極 / 超伝導検出器 / MKID / シリコン / 冷却光学系 / ビームパターン / 広野観測 / シリコンレンズアレイ / 反射防止膜

Outline of Annual Research Achievements

南極における遠方銀河や銀河団の観測から宇宙の構造形成史の理解を深めることを目的に、多画素超伝導カメラの開発を進めた。平成25年度までに、シリコンレンズアレイと平面アンテナを用いた光学系と力学インダクタンス検出器(MKID)を組み合わせたミリ波帯600画素MKIDカメラを開発した。レンズの直径は約1.6 mmと非常に小型となっており、レンズ表面の反射を防ぐ反射防止膜とともにエンドミルと超精密加工機を用いて加工した。これらの加工法や加工精度についてMitsui, Nitta et al., J. Astron. Telesc. Instrum. Syst., 1, 025001, 2015としてまとめた。
実際の観測では望遠鏡光学系とカメラを結合する必要があるため、誘電体レンズ２枚を用いた冷却光学系を開発した。誘電体レンズの材料としては高密度ポリエチレンなどがよく用いられるが、シリコンなどの高屈折率材料を用いることでレンズを薄くし熱容量を抑える設計とした。冷却光学系の開発ではカメラ焦点面への熱負荷を低減させるため、迷光対策が重要となる。そこで、迷光解析ソフトを用いて開発した迷光対策用バッフルの評価を行い、バッフル内に多段の反射板を配置することで迷光による熱負荷を0.2 μWまで抑えることに成功した。冷却光学系に関する成果はSekiguchi, Nitta et al., IEEE TST, 5, 49, 2015としてまとめた。
冷却光学系にMKIDカメラを配置して、カメラのビームパターン（検出器の空間感度分布）の測定を行った。結果、円対称なビームパターンを得ることができた。また、焦点面における３素子のビーム中心位置の評価も行い、幾何光学シミュレーションにおける設計値と一致することを確認した。これらの開発・評価を通し、ミリ波帯超伝導カメラのシステムとしての開発が進んだ。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

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 / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Design of wide-field Nasmyth optical system for a submillimeter camera (2015)
  • Author(s): Toshihiro Tsuzuki, Tom Nitta, Hiroaki Imada, Masumichi Seta, Naomasa Nakai, Shigeyuki Sekiguchi, Yutaro Sekimoto
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 1 Issue: 2 Pages: 025002-025002
  • DOI: 10.1117/1.jatis.1.2.025002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of 721-pixel silicon lens array of a 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 Issue: 2 Pages: 025001-025001
  • DOI: 10.1117/1.jatis.1.2.025001
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Anti-reflection Coating for Cry ogenic 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: (印刷中) Issue: 5-6 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1007/s10909-013-1059-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Close-Packed Silicon Lens Antennas for Millimeter-Wave MKID Camera (2013)
  • 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: Published online Issue: 5-6 Pages: 684-690
  • DOI: 10.1007/s10909-013-1028-x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 野辺山 45m 電波望遠鏡搭載に向けた 220-GHz 帯超伝導カメラの開発 (2014)
  • Author(s): 新田冬夢, 関本裕太郎, 唐津謙一, 三ツ井健司, 岡田則夫, 野口卓, 松尾宏, 関口繁之, 関根正和, 岡田隆, Shibo Shu, 成瀬雅人, 今田大皓, 瀬田益道, 久野成夫, 中井直正
  • Organizer: 日本天文学会2014年秋季年会
  • Place of Presentation: 山形大学（山形県山形市）
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] 南極10mテラヘルツ望遠鏡搭載用850 GHz帯超伝導カメラの基本設計 (2014)
  • Author(s): 新田冬夢, 関本裕太郎, 都築俊宏, 唐津謙一, 三ツ井健司, 岡田則夫, 野口卓, 関口繁之, 関根正和, 岡田隆, Shibo Shu, 成瀬雅人, 今田大皓, 瀬田益道, 中井直正
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学(東京都三鷹市)
• [Presentation] Close-Packed Silicon-Lens Antennas for Millimeter-Wave MKID Camera (2013)
  • Author(s): Nitta, T., Sekimoto, Y., Karatsu, K., Naruse, M., Sekine, M., Sekiguchi, S., Matsuo, H., Noguchi, T., Mitsui, K., Okada, N., Seta, M., Nakai, N.
  • Organizer: 15th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • Place of Presentation: Pasadena Convention Center, Pasadena, California, United States
• [Presentation] Anti-Reflection (AR) Coating for Cryogenic Silicon and Alumina Lenses at Millimeter-Wave Bands (2013)
  • 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.
  • Organizer: 15th International Workshop on Low Temperature Detectors
  • Place of Presentation: Pasadena Convention Center, Pasadena, California, United States
• [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: 自然科学研究機構 国立天文台, 株式会社雄島試作研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-036092
  • Filing Date: 2015-02-26