テラヘルツ天文学を切り開く高感度電波分光観測用受信機の開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00702
• 研究機関: 関西学院大学
• 研究代表者: 瀬田 益道 関西学院大学, 理学部, 教授 (80358994)
• 研究分担者: 酒井 剛 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20469604) ; 中井 直正 関西学院大学, 理学部, 教授 (80192665)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 電波天文

研究実績の概要

本研究では、テラヘルツ帯での分光観測用高感度受信機の開発を行っている。高感度化には、テラヘルツ帯の観測信号を分光計で処理可能な数GHzの周波数帯へと周波数変換する電子素子（ミキサー）に超伝導体を用いる必要がある。従来の素子材料であるNbを用いたミキサーではテラヘルツ帯での損失が大きく実用的な観測感度の達成が困難であった。そこで、超伝導素子の材料にNb３Geを用いることで状況を打開することを目指した。ミキサーとして機能させるには、Nb３Geの薄膜が必要であるが、複数の基板上での薄膜積層条件を調べ、X線や電子顕微鏡による薄膜の構造解析から、新材料を用いた薄膜の作製には成功した。しかし、超伝導体(S)と絶縁体(I)のサンドイッチ構造を持つSISミキサーとしては、十分な性能を得ることはできず、当初の目的は達成できず研究の継続が必要である。SIS素子の動作には4Kの極低温の環境を必要とする。南極での受信機の運用を想定し、輻射熱の低減や熱アンカー位置の最適化で従来の半分以下の消費電力2kWで動作する冷却受信機を製作した。ミキサーの動作に必要なテラヘルツ帯の信号源を整備し、それを冷却受信機に導入する光学系を製作した。所望の性能を持つSIS素子を搭載すれば、冷却受信機としての動作可能な状態まで仕上げた。本研究では、開発した受信機を用いたテラヘルツ天文学を実践することも大きな目標であった。テラヘルツ帯の信号は地球大気による吸収が大きく、低温で高地の南極大陸内陸部が、地上では唯一の実用的な観測サイトである。国立極地研究所、筑波大学、国立天文台等と協力して、南極大陸内陸の新ドームふじ基地に、電波天文台を開設する計画を進めてきたが、国立極地研究所の南極観測第X期の観測課題として、30cm望遠鏡の南極新ドームふじ運用が決定し、テラヘルツ天文学の観測サイトを得た。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 高感度電波望遠鏡受信機によるテラヘルツ天文学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 瀬田益道
  • 雑誌名: 光学 巻: 51 ページ: 319-324
  • 査読あり
• [学会発表] 南極 30 cm サブミリ波望遠鏡用光学ポインティングシステムの開発 II (2023)
  • 著者名/発表者名: 茅野太一, 久野成夫, 本多俊介, 瀧口風太, 青木美和, 西堀俊幸, 瀬田益道, 南極天文コンソーシアムメンバー
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] ALMA望遠鏡による吸収線観測で探る分子雲内部の中性炭素と一酸化炭素の関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮本祐介, 瀬田益道, 中井直正, Salak Dragan, 渡邉祥正, 石井峻, 長谷川哲夫, 幸田仁
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] Antarctic 30-cm Submm Telescope Project (2022)
  • 著者名/発表者名: Nario Kuno, Shunkue Honda, Takuya Hashimoto, Futa Takiguchi, Miwa Aoki, Taichi Kayano, Masaki Iwata, Hiro Saito, Masumichi Seta, Naomasa Nakai, Kazuo Sorai, Dragan Salak, Chuya Handa, Makoto Nagai, Hiroshi Matsuo, Tomofumi Umemoto, Takahumi Kojima, Daisuke Iono, Yoshinori Uzawa
  • 学会等名: RIKEN-NICT-East Asia Receiver Joint Workshop 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement in gain stability of 20GHz receiver (2022)
  • 著者名/発表者名: Tai Kawachi, Masumichi Seta, Shuto Fujimori, Nario Kuno
  • 学会等名: RIKEN-NICT-East Asia Receiver Joint Workshop 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Investigations of Nb3Ge Thin Films on Si Substrates (2022)
  • 著者名/発表者名: Mina Matsuura, Takeshi Sakai, Takashi Noguchi, Masumichi Seta
  • 学会等名: RIKEN-NICT-East Asia Receiver Joint Workshop 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Antarctic 30-cm Submm Telescope Project (2022)
  • 著者名/発表者名: Nario Kuno, Masumichi Seta, Kazuo Sorai, Naomasa Nakai, Makoto Nagai, Shunsuke Honda, Hiroshi Matsuo, Tomofumi Umemoto, Dragan Salak, Takuya Hashimoto
  • 学会等名: 2022 URSI-Japan Radio Science Meeting
  • 国際学会