| 研究課題/領域番号 |
20K20345
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| 研究機関 | 国立天文台 |
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研究代表者 |
江澤 元 国立天文台, アルマプロジェクト, 助教 (60321585)
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| 研究分担者 |
松尾 宏 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (90192749)
藤井 剛 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30709598)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 光子計数 / テラヘルツ / 宇宙物理観測 / 超伝導検出器 |
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| 研究実績の概要 |
光子統計の概念を宇宙物理観測手法に応用することを目指して、超伝導検出器を用いた高速のテラヘルツ光子計数システムを構築している。本年度も前年度に引き続き、主として極低温環境の構築および極低温読み出し回路の開発を推進した。
薄膜ニオブをベースにした超伝導SIS接合を用いたPCTJにアンテナを結合し、0.8 Kの極低温で動作さることでサブミリ波からテラヘルツ領域での高速検出器を構成する。このために、前年度に引き続き、機械式の4 Kパルスチューブ冷凍機を組み込んだクライオスタットとヘリウム4吸着冷凍器を組み合わせた極低温環境を開発している。2台の吸着冷凍器を用いた極低温環境の連続冷却システムの原理検証に続き、本年度は実際の検出器および読み出し回路で想定される熱負荷のもとで、必要な極低温冷却性能が得られるようにシステムの最適化を推進した。装置の改良や制御パラメータの最適化、またLinuxを用いた自動制御システムの改良を進めた結果、想定される熱負荷100 μWのもとで、必要な冷却性能を長時間にわたって継続して維持できることを実験的に実証した。
これらと並行して、超伝導SIS検出器の感度や周波数特性の改良や、極低温読み出し回路の開発も引き続き推進している。初段の読み出し回路は、高速動作を意図し、ガリウム砒素電界効果トランジスタ(GaAs-JFET)で構成するソースフォロア回路を超伝導SIS検出器とともに極低温環境に設置する。これをクライオスタットに搭載し、実際に検出器の信号が読み出せることを確認した。また、後段の信号処理回路をガリウム砒素高電子移動度トランジスタ(GaAs-HEMT)のソースフォロアと極低温低雑音増幅器で構成し、広帯域信号の増幅が可能であることを確認した。
これらの成果を学会や国際会議で発表するとともに、検出器と極低温環境の開発に関してまとめた論文を査読誌に投稿した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
吸着冷凍器を用いた極低温冷却環境の長時間安定稼働が実現できたが、そのための装置、制御の改良に想定以上の時間を要した。世界的な情勢の影響等で、様々な資材の価格が高騰するなか、液体ヘリウムを用いた実験が困難になり、一部の測定系を組みなおす必要が生じた。また極低温部など特殊な部品類についても、極力自作への切り替えをすすめ、そのための設計検討も進めることになった。すでに研究前半部分が遅延し、補助金が研究計画後半部に繰り越された事情もあり、研究計画全体の進捗が遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
パルスチューブ冷凍機と吸着冷凍器を用いた極低温冷却系の構築は一段落した。今後は超伝導SIS検出器の設計改良、再製作し、性能評価を実施する。液体ヘリウムが入手困難で従来の評価系が使えないので、機械式冷凍機ベースの新システムに評価系を構築する。極低温読み出し回路の開発もひきつづき進めるとともに、測定システムを完成させ、超伝導検出器による高速光子検出を実現する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
世界情勢の変動などにより、調達に支障が発生することもあった。また諸部品の調達価格も高騰しており、極低温部品など可能なものは自作に切り替えるなどの対応をしている。また極低温冷却環境の整備に予定よりも長い時間を要し、超伝導検出器システムの組み上げを後ろ倒しにすることになった。次年度使用分は、超伝導SIS検出器の改良と製作、読み出し回路の実装、検出器システムの組み上げと実験、研究成果発表などに用いることを予定している。
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