地球大気OH・酸素原子リモート計測のためのテラヘルツ波ヘテロダインセンサーの開発

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19310009
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 前澤 裕之 Nagoya University, 太陽地球環境研究所, 助教 (00377780)
• Keywords: 地球観測 / リモートセンシング / テラヘルツ / 赤外材料・素子 / 量子エレクトロニクス / 環境変動 / 先端機能デバイス / 地球変動予測 / 超伝導材料・素子

Research Abstract

本研究は、大気中の未計測ガス種のOHラジカルなど、1.8-2.0THz帯に放射スペクトルをもつ原子・分子のリモートセンシングのための、THz波ヘテロダイン超伝導HEBM検出素子の実用化開発を推進している。H21年度は、開発した冷却受信機評価システムを東京大学に持ち込み、改良したNbTiN細線HEBM素子の1.5THz帯での性能評価を行った。以下にその成果を示す。
1)1.5THz帯において未校正の受信機雑音温度3400Kを実現した。レンズに無反射コーティングを施し、かつ1.5THz帯局部発振器の出力が改善されて信号/局部発振器の結合効率が改善されるだけで、受信機雑音温度は1600Kに改善されると見込まれる。これは従来のショットーキー型のミクサー素子と比べても感度が1桁高い。このことは、スペクトルの積分に丸一日かかっていたものが、15分で取得できるようになり、大気微量分子の昼夜/時間の変動のモニタリングが可能になることを意味している。
2)バイアス回路や、冷凍機の振動・温度安定化、THzバンドパスフィルター、NbTiN細線などの改良・開発により、HEBM素子の感度が最適な動作ポイントで、10秒の動作安定時間(アラン分散)を実現した。これにより、THz帯での大気微量分子の実用的な観測シーケンスを組む見通しがたった。これまでの国内外のHEBM素子は、感度の最適ポイントでは、動作安定時間が1秒程度しか得られず、このことが実用化のネックとなっていた。この成果により、博士課程の山倉鉄矢氏が博士論文を取得するとともに、国際シンポジウム(21^<st>ISSTT)にて前澤が成果報告を行った。今後は、1.9THz帯の発振器を導入し、細線構造をさらに最適化することで、OHラジカルなど、THz帯のスペクトル線の計測を現実のものとしていく。

Research Products

• [Journal Article] Development of 1.5THz waveguide NbTiN superconducting hot electron bolometer mixers (2010)
  • Author(s): Jiang, L., Shiba, S., Shiino, T., Shimbo, K., Sakai, N., Yamakura, T., Irimajiri, T., Ananthasubramanian, P.G, Maezawa, H., Yamamoto, S.
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume 23 Issue 4 Pages: 045025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of the critical temperature of superconducting NbTiN and NbN thin films using the AlN buffer laye (2010)
  • Author(s): Shiino, T., Shiba, S., Sakai, N., Yamakura, T., Jiang, L., Uzawa, Y., Maezawa, H., Yamamoto, S.
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume 23 Issue 4 Pages: 045004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of THz band quasi-optical Hot-Electron Bolometer Mixeremploying superconducting NbTiN microbridge (2010)
  • Author(s): Tetsuya Yamakura
  • Journal Title: the Graduate School of Pure and Applied Sciences the Degree of Doctor of Philosophy in Science at the University of Tsukuba Pages: 1-115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature and Density Distribution in the Molecular Gas Toward Westerlund 2 : Further Evidence for Physical Association (2010)
  • Author(s): Ohama, A., Dawson, J.R., Furukawa, N., Kawamura, A., Moribe, N., Yamamoto, H., Okuda, T., Mizuno, N., Onishi, T., Maezawa, H., Minamidani, T., Mizuno, A., Fukui, Y.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume 709 Issue 2 Pages: 975-982
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a 1.9-THz Band Hot-Electron Bolometer Heterodyne Receiver with a Quantum Cascade Laser (2010)
  • Author(s): H.Maezawa, T.Yamakura, T.Koyama, S.Yamamoto, S.Shiba, T.Shiino, N.Sakai, N.Nakai, M.Seta, A.Mizuno, T.Nagahama, Y.Fukui, Y.Irimajiri, N.Sekine, I.Hosako
  • Journal Title: Proceedings of 21^<st> International Symposium on Space Terahertz Technology 21st(印刷中)
• [Journal Article] Development of THz Waveguide NbTiN HEB Mixers (2009)
  • Author(s): Jiang, L., Shiba, S., Shimbo, K., Sakai, N., Yamakura, T., Sugimura, M., Ananthasubramanian, P.G, Maezawa, H., Irimajiri, Y., Yamamoto, S.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity vol. 19 issue 3 Pages: 301-304
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of 1.5THz Waveguide NbTiN HEB Mixers (2009)
  • Author(s): L.Jiang, T.Yamakura, Y.Irimajiri, K.Shimbo, S.Shiba, T.Shiino, N.Sakai, P.G.Ananthasubramanian, H.Maezawa, S.Yamamoto
  • Journal Title: 20^<th> International Symposium on Space Terahertz Technology 20^<th> Pages: 156-160
• [Journal Article] Search of SO_2 in the Martian atmosphere by ground-based submillimeter observation (2009)
  • Author(s): Nakagawa, H., Kasaba, Y., Maezawa, H., Hashimoto, A., Sagawa, H., Murata, I., Okano, S., Aoki, S., Moribe, N., Mizuno, A., Momose, M., Ohnishi, T., Mizuno, N., Nagahama, T.
  • Journal Title: Planetary and Space Science Volume 57 Pages: 2123-2127
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of a 1.9-THz Band Hot-Electron Bolometer Heterodyne Receiver with a Quantum Cascade Laser (2010)
  • Author(s): H.Maezawa, T.Yamakura, T.Koyama, S.Yamamoto, S.Shiba, T.Shiino, N.Sakai, N.Nakai, M.Seta, A.Mizuno, T.Nagahama, Y.Fukui, Y.Irimajiri, N.Sekine, I.Hosako
  • Organizer: 21^<st> International Symposium on Space Terahertz Technology
  • Place of Presentation: Oxford University, UK
  • Year and Date: 2010-03-24
• [Presentation] NbN/AlN薄膜を用いた超伝導THz帯HEBミクサの開発 (2010)
  • Author(s): 椎野竜哉, 山倉鉄矢, 芝祥一, Ling Jiang, 鵜澤佳徳, 前澤裕之, 坂井南美, 山本智
  • Organizer: 第57回 応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-19
• [Presentation] HEBミクサを用いたTHz-QCLの周波数安定化 (II) (2010)
  • Author(s): 芝祥一, 入交芳久, 小山知記, 山倉鉄矢, 前澤裕之, 関根徳彦, 寶迫巌, 山本智
  • Organizer: 第57回 応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] NANTEN2プロジェクトの進捗 (2009)
  • Author(s): 奥田武志, 山本宏昭, 河村晶子, 福井康雄, 前澤裕之, 水野亮, 大西利和, 小川英夫, 水野範和, 米倉覚則, J Stutzki, F.Bertoldi, B.C.Koo, L.Bronfman, M.Burton, A.Benz, NANTEN2チーム
  • Organizer: 日本天文学会2009年秋季年会
  • Place of Presentation: 山口大学
  • Year and Date: 20090914-20090916
• [Presentation] AlN緩衝層を用いたNbN, NbTiN薄膜の超伝導転移温度の改善 (2009)
  • Author(s): 椎野竜哉, Jiang Ling, 芝祥一, 鵜澤佳徳, 山倉鉄矢, 前澤裕之, 坂井南美, 山本智
  • Organizer: 日本天文学会2009年秋季年会
  • Place of Presentation: 山口大学
  • Year and Date: 20090914-20090916
• [Presentation] 南極30cmサブミリ波望遠鏡の開発III (2009)
  • Author(s): 石井峻, 瀬田益道, 永井誠, 中井直正, 宮本祐介, 荒井均, 前橋秀紀, 石崎剛史, 中野将義, 長崎岳人, 前澤裕之, 南極天文コンソーシアム
  • Organizer: 日本天文学会2009年秋季年会
  • Place of Presentation: 山口大学
  • Year and Date: 20090914-20090916
• [Presentation] 量子カスケードレーザーの応用による1.9THz帯ヘテロダイン受信機の開発 (2009)
  • Author(s): 前澤裕之, 小山知記, 水野亮, 長濱智生, 小林和宏, 関根徳彦, 寶迫巌, 入交芳久, 山本智, 芝祥一, 山倉鉄矢
  • Organizer: 日本天文学会2009年秋季年会
  • Place of Presentation: 山口大学
  • Year and Date: 20090914-20090916
• [Presentation] Development of Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixer for THz Band Atmospheric and Astronomical Remote-Sensing Spectroscopy (2009)
  • Author(s): H. Maezawa, A. Mizuno, T. Nagahama, S. Yamamoto, T. Yamakura, N. Nakai, M. Seta, Y. Irimajiri
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society
  • Place of Presentation: Suntec, Singapore
  • Year and Date: 20090812-20090815
• [Presentation] 火星大気COスペクトル線のミリ・サブミリ波帯地上分光観測 (2009)
  • Author(s): 森部那由多, 前澤裕之, 長浜智生, 水野亮, 藤木謙一, 徳丸宗利, 福井康雄
  • Organizer: 第126回 地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2009-09-28
• [Presentation] 量子カスケードレーザー (QCL) を用いたテラヘルツ波ヘテロダイン受信機の開発 (2009)
  • Author(s): 小山知記, 前澤裕之, 水野亮, 長濱智生, 荻野竜樹, 山倉鉄也, 芝祥一, 関根徳彦, 寶迫巌, 山本智, 入交芳久
  • Organizer: 第126回 地球電磁気・地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2009-09-28
• [Presentation] HEBミクサを用いたTHz-QCLの周波数安定化 (2009)
  • Author(s): 芝祥一, 入交芳久, 山倉鉄矢, 前澤裕之, 関根徳彦, 寶迫巌, 山本智
  • Organizer: 第70回 応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2009-09-09
• [Presentation] Millimeter/Submillimeter-Wave Band Observations of Planetary Atmospheres with Ground-Based Telescopes (2009)
  • Author(s): H.Maezawa, N.Moribe, A.Mizuno, T.Nagahama, M.Tokumaru, T.Umeda, A.Ohama, T.Onishi, H.Yamamoto, Y.Fukui, NANTEN2 Consortium
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society
  • Place of Presentation: Suntec, Singapore
  • Year and Date: 2009-08-14
• [Presentation] A Ground-based Millimeter-wave Measurements of Mesospheric NO2 in Atacama Highland, Chile (2009)
  • Author(s): T.Nagahama, A.Mizuno, H.Maezawa, T.Kuwahara, R.Terada, Y.Kojima
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society
  • Place of Presentation: Suntec, Singapore
  • Year and Date: 2009-08-14
• [Presentation] Size Dependence of HEB Mixer Performance (2009)
  • Author(s): L.Jiang, S.Shiba, T.Shiino, K.Shimbo, M.Sugimura, N.Sakai, T.Yamakura, P.G.Ananthasubramanian, H.Maezawa, Y.Irimajiri, S.Yamamoto
  • Organizer: 12th International Superconductive Electronics Conference
  • Place of Presentation: Fukuoka
  • Year and Date: 2009-06-18
• [Presentation] Improvement of Critical Temperature of Superconducting NbN and NbTiN Thin Films Using an AlN Buffer Layer (2009)
  • Author(s): T.Shiino, K.Todoroki, N.D.Minh, L.Jiang, S.Shiba, Y.Uzawa, H.Maezawa, N.Sakai, S.Yamamoto
  • Organizer: 12th International Superconductive Electronics Conference
  • Place of Presentation: Fukuoka
  • Year and Date: 2009-06-18
• [Presentation] M138-022 ミリ・サブミリ波電波望遠鏡による金星大気の観測 (2009)
  • Author(s): 前澤裕之, 森部那由多, 水野亮, 長浜智生, 徳丸宗利, 水野範和, 大西利和, 福井康雄
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2009年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ・国際会議場
  • Year and Date: 2009-05-21
• [Presentation] F119-P038 チリ・アタカマ高地における200GHz帯ミリ波放射分光計を用いた成層圏ClOの高度分布観測 (2009)
  • Author(s): 桑原利尚, 水野亮, 長浜智生, 前澤裕之, 鳥山哲司
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2009年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ・国際会議場
  • Year and Date: 2009-05-20
• [Presentation] E117-P004 南米チリ・アタカマ高地における中間圏NO2のミリ波観測 (2009)
  • Author(s): 長浜智生, 水野亮, 前澤裕之, 桑原利尚, 寺田良平, 児島康介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2009年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ・国際会議場
  • Year and Date: 2009-05-18
• [Presentation] F119-P039 地球大気環境計測・電波天文学観測のためのTHz帯超伝導ホットエレクトロンボロメータミクサの開発 (2009)
  • Author(s): 山倉鉄矢, 前澤裕之, 中井直正, 瀬田益道, 水野亮, 長浜智生, 入交芳久
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2009年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ・国際会議場
  • Year and Date: 2009-05-18
• [Presentation] P142-010 ASTEを用いたサブミリ波域における火星SO2高分散観測 (2009)
  • Author(s): 中川広務, 笠羽康正, 前澤裕之, 橋本明, 村田功, 岡野章一, 水野亮
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2009年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ・国際会議場
  • Year and Date: 2009-05-17
• [Presentation] Development of 1.5THz Waveguide NbTiN HEB Mixers (2009)
  • Author(s): L.Jiang, T.Yamakura, Y.Irimajiri, K.Shimbo, S.Shiba, T.Shiino, N.Sakai, P.G.Ananthasubramanian, H.Maezawa, S. Yamamoto
  • Organizer: 20th International Symposium on Space Terahertz Technology
  • Place of Presentation: National Radio Astronomy Observatory, USA
  • Year and Date: 2009-04-22
• [Presentation] NANTEN2による大マゼラン雲の観測 : 巨大分子雲複合体-アーク領域の観測
  • Author(s): 河村晶子, 朝倉丈裕, 村井美幸, 森部那由多, 大濱晶生, 奥田武志, 山本宏昭, 福井康雄, 前澤裕之, 水野亮, 大西利和, 小川英夫, 水野範和, 南谷哲宏, NANTEN2チーム
  • Organizer: 日本天文学会2009年秋季年会
  • Place of Presentation: 山口大学
• [Book] シリーズ現在の天文学第16巻宇宙の観測II (2009)
  • Author(s): 小川英夫, 亀野誠二, 神代暁, 斉藤正雄, 徂徠和夫, 坪井昌人, 中井直正, 前澤裕之, 松尾宏, 水野亮, 百瀬宗武
  • Total Pages: 360
  • Publisher: 日本評論者