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

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13J01164
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 新田 冬夢 筑波大学, 大学院数理物質科学研究科, 特別研究員(DC2)
• Keywords: 電波 / ミリ波サブミリ波 / 南極 / 超伝導検出器 / MKID / 広野観測 / シリコンレンズアレイ / 反射防止膜

Research Abstract

我々は、遠方銀河や銀河団のミリ波帯からテラヘルツ帯にかけた広視野観測から、宇宙の構造形成史を理解することを目指している。この目的のため、筑波大学が南極ドームふじ基地に建設を計画している10mテラヘルツ望遠鏡へ搭載するための超伝導カメラの開発を進めている。本年度は、ダブルスロットアンテナとシリコンレンズアレイを用いた光学系とMicrowave Kinetic lnductance Detector (MKID)を組み合わせた220-GHz帯608画素カメラの開発を行った。
多画素カメラを実現するためには高い集積度をもつ小口径シリコンレンズアレイの開発が重要となる。そこで、集積化したレンズモデルについて電磁界シミュレーションを行い、レンズ直径が観測波長の1.2倍と非常の小さい場合でも対称性がよくサイドローブレベルが-15dB以下というビームパターンを得る解を明らかにした(Nitta et al.,2013)。この設計をもとに、高純度(11N)多結晶シリコンを超精密切削加工することで608画素シリコンレンズアレイを製作した。レンズアレイの形状測定から、観測要求を満たす形状誤差30μm、表面粗さ1μmを達成した。
次に、シリコン表面では約30%の反射損失が生じるため、屈折率1.8の反射防止膜の開発が必須になる。そこで、低温の接着剤として用いられる屈折率1.68と2.2を持つ2種類のエポキシ樹脂を混合することで、屈折率の制御を試みた。結果、屈折率1.8の反射防止膜の開発に成功し、超精密切削加工により膜厚を制御することで220-GHz帯で95%の透過率を得た(Nitta et al., 2014)。
超伝導体にアルミニウムを用いたMKIDアレイと反射防止膜を形成したシリコンレンズアレイを組み合わせることで220-GHz帯608画素カメラを開発した。大きさの異なるアライメントホールを用いることで、レンズとアンテナのアライメント誤差は距離50mmで10μm以下を達成した。100mKでの冷却測定の結果、608画素中約95%と非常に高い検出器歩留まりを達成した。また、77Kと300Kの黒体源を用いてMKIDの光学応答も確認した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、1000画素規模の超伝導カメラの開発を目指している。現在までの研究で、限られた望遠鏡焦点面を有効利用するために集積化した小口径レンズアレイを用いたことで、約50mmの領域に608画素を配置した超伝導カメラの開発に成功した。また、150㎜の真空窓醐いた状態で100mkを達成する冷却系の構築にも成功しており、このシステムを用いたカメラの評価では95%の歩留まりを達成していることから、開発は順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

10mテラヘルツ望遠鏡の建設を予定している南極ドームふじ基地は、極寒の高地に位置し水蒸気量が非常に少ないため、冬季にはサブミリ波、テラヘルツ帯での高効率な観測が期待できる。10mテラヘルツ望遠鏡では850-GHz帯がメインの観測周波数である。今後の研究では、本年度開発を進めた220-GHz帯608画素カメラの技術をもとにして、850-GHz帯1000画素カメラの開発を進める。90%以上の検出器歩留まりと850-GHzに対する光学応答を確認することを目指す。更に、早期に南極における観測を実現するために、10mテラヘルツ望遠鏡と超伝導カメラを組み合わせた光学設計も合わせて進める。

Research Products

• [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)
  • 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
  • DOI: 10.1007/s10909-013-1028-x
  • Peer Reviewed
• [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)
  • Year and Date: 20140319-22
• [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
  • Year and Date: 20130624-28
• [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
  • Year and Date: 20130624-28