SISフォトン検出器を用いたサブミリ波カメラの開発

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13304015
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 松尾 宏 国立天文台, 天文機器開発実験センター, 助教授 (90192749)
• 研究分担者: 江澤 元 国立天文台, 電波天文学研究系, 助手 (60321585) ; 久野 成夫 国立天文台, 電波天文学研究系, 助手 (30311179) ; 野口 卓 国立天文台, 電波天文学研究系, 助教授 (90237826) ; 服部 誠 東北大学, 大学院・理学研究科, 助手 (90281964) ; 清水 裕彦 理化学研究所, イメージ情報技術開発室, 室長 (50249900)
• キーワード: サブミリ波 / 天文学 / 超伝導体 / トンネル接合 / 検出器 / 2次元アレイ / 極低温技術 / 電流ノイズ

研究概要

超電導ニオブのトンネル接合素子(STJ)を用いたサブミリ波直接検出素子の開発を進めた。平成13年度に理化学研究所の超伝導薄膜設備を用いることで実現した超低リーク電流のSTJ素子および対数周期型アンテナを用いてサブミリ波検出素子の電気特性評価および光学特性評価を行った。
1つの検出素子の構成としては、STJが12個並列接合されたDistributed Junctionを採用し、1つの対数周期型アンテナと接続している。検出素子としての電気特性の測定結果は、リーク電流100pA以下、ノイズ電流がシヨットノイズの数倍という低リーク特性の実現に成功し、高感度サブミリ波検出素子の実現に必要とされるノイズ特性が得られた。光学特性の評価としては、フーリエ分光器を用いた分光感度特性の測定、黒体放射源を用いたビームパターンの測定および絶対感度の測定を行なった。その結果、分光感度特性としては、サイズが4ミクロンのSTJ接合でサブミリ波帯の440GHzに感度ピークを持つことが明らかになった。また、サイズが3ミクロンのSTJの場合、目標とする650GHz(波長450ミクロン)に感度を持つことが明らかとなった。絶対感度特性およびノイズ測定の結果、0.3K冷却高感度ボロメータと同等の性能が得られることが示された。
チリに設置したサブミリ波望遠鏡(ASTE)による天文観測をいち早く実現するため、3色ボロメータ観測システム(観測波長350、450、850ミクロン)の開発を進めた。同観測システムで用いるクライオスタットとして、リモート運用可能な0.3K冷却システムを機械式4K冷凍機とHe3冷凍器を組み合わせることにより実現した。なお、同クライオスタットは、超伝導サブミリ波カメラを搭載できる仕様となっている。一方で、開発した3色ボロメータおよびクライオスタツトの性能を評価するためASTE望遠鏡に同観測システムを搭載して初観測に成功した。この試験観測により、南来アタカマ高原から始めての850GHz帯観測が実現した。

研究成果

• [文献書誌] Matsuo et al.: "Development of Submillimeter-wave Camera for Atacama Submillimeter Telescope Experiment"IEEE Trans.Applied Supercond. 11. 688-691 (2001)
• [文献書誌] Komatsu, Matsuo et al.: "Substructures Revealed by the Sunyaev-Zel'dovich Effect at 150 GHz in the High Resolution Map of RX J1347-1145"Publ.Astron.Soc.of Japan. 53. 57-62 (2001)
• [文献書誌] Akabane, Matsuo et al.: "2 Millimeter Dust around NGC7538-IRS 1,2 and 3.I. Unfilled Structure of Dust Cloud"Publ.Astron.Soc.of Japan. 53. 821-832 (2001)
• [文献書誌] Matsuo et al.: "SIS Photon Detectors for Submillimeter-wave Observations"Proceedings of the 12th International Symposium on Space Terahertz Technology. 476 (2001)
• [文献書誌] Ariyoshi, Matsuo et al.: "Fabrication of superconducting direct detectors in submillimeter-wave bands"RIKEN Riview. 47. 43-47 (2002)
• [文献書誌] Matsushita, Matsuo: "FTS Measurements of Submillimeter-Wave Atmospheric Opacity at Pampa la Bola III Water Xanor Liquid Water and 183GHz Water Xanor Line Opacities"Publ.Astron.Soc.of Japan. 55. 325-333 (2003)