「第5回可視赤外線観測装置技術ワークショップ」 「第35回天文学に関する技術シンポジウム」合同セッション「次世代望遠鏡セッション」「「ＡＬＭＡ受信機開発・製造・その次」
受信機開発 製造 そ 次
藤井 泰範
国立天文台 先端技術センター研究技師

andATC受信機チ ム
ATC受信機チーム

概要• イントロダクション
イント ダクシ ン– 電波と光– アルマ望遠鏡• バンド4，バンド8，バンド10受信機
バンド4 バンド8 バンド10受信機• その次

ALMA Band4(150GHz 2mm)

電波と光

光
文部科学省
「一家に１枚光マップ」より
http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/20/04/08040301.htm

ALMA Band8(450GHz 0.7mm)

ALMA Band10(900GHz 0.35mm)

X線

波と粒子電波

光X線

受信機と検出器
λc>４３０um
λc<5.5um
Egg＝0.23eV(InSb)()

fg =700GHz (Nb)( )

ヘテロダイン受信機
テロダイン受信機
アンテナ

中間周波信号
FIF=｜FRF‐FLO ｜

基準信号
号 FLO

分光計
ミクサ

局部発信器

増幅器

（ ィルタ
（フィルターバンク、音響ンク、音響光学型分光計、自己相関型分光計）

分光コリメーター

望遠鏡

スリット

カメラ

検出器

分散素分散素子

分光計（（フィルターバンク、音響ィルタンク、音響光学型分光計、自己相関型分光計）

部品
・MEMSミラー
MEMSミラ・モスアイ反射防止構造
・メタルメッシュフィルタ
メタルメッシュフィルタ
ミクロンオーダーのミク
ンオ ダ の構造

半導体加工技術を応用して微細加工を行う

マイクロマシニング

東北大 光マイクロシステムグループHPより

電波受信機の特徴
金属加工可能なサイズ
90 degree hybrid
couplers

Input

Filters

Terminator
Terminator
455‐480 GHz
Terminator
430‐455 GHz
Terminator
405‐430 GHz

380GHｚ420GHｚ‐補償光学の基本‐成り立ちと基本構成• バブコックが1953年に提唱• 天体望遠鏡では、大気による像劣化の改善(• フィードバック制御(負帰還補償) ：左図参照– 波面センサーで誤差測定
波面誤 測定– 可変形鏡で誤差補正
図は国立天文台ウ ブサイトより
図は国立天文台ウェブサイトより

⼲渉計の原理• 天体からの信号• 電磁波の経路の差:• 相関器は⼆つの電波が合致するを探す。これがわかれば、⾓度 、天体位置がわかる。
• 別の天体は異なるをもつ。
が⼤きいと ⼩さなが⼤きいと、⼩さなも•測れる。
→ ⾓度分解能が良くなる。

Field of Viewアルマ望遠鏡：⼈類の新しい⽬

Atacama Large Millimeter/Millimeter/submillimeter
submillimeter Array: アタカマ⼤型ミリ波サブミリ波⼲渉計

南⽶・チリに建設。
南⽶・チリに南⽶チリに建設。⽇本＋チリに建設。
⽇本＋台湾＋韓国、台湾＋韓国、北⽶、欧州の国際協⼒。
北⽶、欧州の国際協⼒。
66台66台のアンテナを最⼤のアンテナを最⼤16.5km16.5kmの範囲に展開し、巨⼤な望遠鏡を実現。の範囲に展開し、巨⼤な望遠鏡を実現。
これまでの電波望遠鏡に⽐べて、感度・分解能ともこれまでの電波望遠鏡に⽐べて、感度・分解能ともにに100100倍！
倍！

Credit: Clem & Adri Bacri‐Normier (wingsforscience.com)/ESO

光で⾒た⾺頭星雲(欧州南天天⽂台)

電波で⾒た⾺頭星雲(カリフォルニア⼯科⼤学サブミリ波天⽂台)

銀河の誕⽣と進化

138億年前のビッグバン以降、いつごろどんな規模 銀河が⽣まれたのか？
どんな規模で銀河が⽣まれたのか？

惑星系の誕⽣
多様な惑星系の起源は？

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel

宇宙における物質進化
⽣命起源関連物質はどれくら あるか？
⽣命起源関連物質はどれくらいあるか？

Credit: ESO/L. Calçada
NASA/JPL‐Caltech/WISE Team

Credit: ESO/C. Malin

「視⼒2000」で⾒る惑星の誕⽣現場

視⼒2000を達成！

おうし座HL星を取り巻く塵の円盤
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

円盤にいくつもの隙間が⾒える。
惑星が成⻑している証拠？

これまでの観測との⽐較
分解能：0.035秒⾓
分解能：0.15秒⾓（1.3 mm）
最⼤基線⻑２Km
分解能：0.035秒⾓（1.3 mm）

CARMA
W. Kwon et al. ApJ (2011)“Resolving the Circumstellar Disk of
HL Tauri at Millimeter Wavelengths”

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

アルマシステム
１．電波を集める
宇宙からの電波を、アンテナの主反射鏡（パラボラの皿）で反射し、副反射鏡（皿の突起部分）で収束して、アンテナ下部へ送る。

３．受信信号を光で送る
増幅された電波信号をデジタル信号に変換し、光ファイバ を用いて超高速（6変換し、光ファイバーを用いて超高速（6テラビット毎秒）で信号を伝送する。

Credit:マブチデザインオフィス

４．信号を干渉させる
各アンテナから光ファイバーで送られてきたデジタル信号を超高速で相関処理し、天体の明るさ、位置、速度などの情報を引き出す。

２．電波を受信する
収束した超高周波の電波を、超伝導素子を用いた受信機で受け、扱いやすい低周波数（4‐12GHz）に変換して増幅する。

バンド４ンドバンド８
ンド バンド１０受信機
ンド 受信機バンド4受信機

バンド8受信機

バンド10受信機

125‐163GHz
2.0mm

385‐500GHz
0.7mm

787‐950GHz
0.35mm観測(RF)
周波数・波長カートリッジの直径

外観

90
80

73 cartridges (292 IF outputs)
Min-to-Max
Average

70

Spec 100%
Spec 80%

6050403020135140145
150
LO frequency (GHz)

ヘテロダイン DSB

SSB雑音温度
196K (4倍)以下
292K(6倍) 以下
SSB noise temperature (K)SSB雑音温度
51K （量子雑音の3倍）以下
82K（量子雑音の5倍） 以下
SSB n
noise temperature (K)

雑音温度仕様・帯域の80％・帯域の100%

ヘテロダイン SSB

155

Φ140

DSB雑音温度
230K （5倍）以下
344K(7.5倍) 以下DSB
B noise temperature (K)

受信方式

73 cartridges (292 IF outputs)

300

Min-to-Max
Average

250

Spec 100%
Spec 80%

200
150
100
50

400

420
440
460
LO frequency (GHz)

480

400
350
300

Min-to-Max
Average

Spec 100%
Spec 80%

250
200
150
100800 820 840 860 880 900 920

LO frequency (GHz)

Φ170

Φ170

コルゲート
ルゲ トホーン

DSB超伝
導ミクサ導波管型偏波分離器(OMT)

4K冷却光学系

サイドバンド分離型
超伝導ミクサ

66 cartridges (132 IF outputs)

ワイヤグ
リッド
4 Kステージ
15Kステージ
110Kステージ

観測(RF)
周波数・波長バンド4受信機

バンド8受信機

バンド10受信機

125‐163GHz
2.0mm

385‐500GHz
0.7mm

787‐950GHz
0.35mm

各ステ ジ温度
各ステージ温度

110K / 15K / 4K(‐163℃ / ‐258℃ / ‐269℃)

超伝導素子材料

Nb/AlOx‐Al/Nb

SISチップの大きさ
幅x 長さ x 厚み

0.4mm x 4mm
厚み200um

光学系の場所

常温

鏡の枚数
コルゲートホーン

Nb/AlOx‐Al/Nb
NbTiN/SiO2/Al

0.13mm x 2.5mm
厚み60um0.09mm x 1.5mm
厚み40um
冷却平面鏡1枚
楕円鏡1枚

楕円鏡1枚

RF用楕円鏡2枚
LO用楕円鏡2枚

0.34mm x440um

0.09mm x182um

0.054mm x 83um

偏波分離方式OMT（Ortho‐Mode Transducer）

ワイヤグリッド

中間(IF) 周波数x 出力数

4‐8GHzx 4本

4‐12GHｚx 2本

受信機 生産台数

ALMA受信機開発
先端技術センター 組織図
先端技術センタ
2012年11月

ATC‐ALMA

重点領域開発ALMA受信機開発 その次

ALMA受信機保守
保守と言っても定期的なメンテナンスが必要な機器では無いので、不具合対応がメインになりますBAND4,, 8,, 10 修理実績
No.
1
23
4
5
6
78910
11121314151617181920212223242526272829303132333435363738

BAND CCA No. 主な故障内容
主な修理内容故障原因 初期PAI 日に問題発覚日 問題JIRA番号 帰国日
修理後PAI 日 帰国日ー初修理後PAI
8 #03
IF （Pol1 LSB） にdip発生
CISO,CLNA交換
経年故障
2011/11/10
AIVP-38
2012/1/17
2012/4/11
6885
8 #09
リコール（フィルタコネクタ）
フィルタコネクタポッティング改修(ハーネス初期不良
2011/11/10
AIVP-10
2012/1/17
2012/4/11
6885
2011/11/17
AIVP-77
2012/1/17
2012/7/1161
176
8 #08
CLNA バイアス異常
フィルタコネクタポッティング改修(ハーネス初期不良
8 #07
CLNA バイアス異常
フィルタコネクタ（ハーネス）交換
初期不良
2011/11/8
FERFW-398,FERF 2012/1/30
2012/6/14
83
136
良2011/12/13
FERFW-414,FERF 2012/5/31
2012/7/5
170
35
8 #10
リコール（フィルタコネクタ）
フィルタコネクタポッティング改修(ハーネス初期不良
4 #12
Lo.Std.に不具合あり
ミクサー交換経年故障
2012/3/2
AIVPNCR-10
2012/6/13
2012/11/20
103
160
8 #05
開発初期仕様（性能満たさず） 改修(部品交換)
初期不良
2010/8/12
FENCR-305
2012/8/6
2012/12/14
725
130
8 #03
IF （Pol1 LSB） にdip発生
IF Hybrid交換
経年故障
2012/4/11 2012年9月 FENCR-551
2012/11/9
2013/10/24
212
349
8 #07
真空漏れ
ハーメチックコネクタ交換
初期不良
2012/6/14 2012年8月 FENCR-557
2012/11/28
2013/1/11
167
44
8 #02
開発初期仕様(性能満たさず) 改修(部品交換)
初期不良
2011/2/14
FENCR-305
2012/12/20
2013/3/21
675
91
8 #16
CLNA バイアス異常
フィルタコネクタ（ハーネス）交換
初期不良
2012/4/11
AIVP-429
2012/12/20
2013/5/29
253160
開発初期仕様(部品交換リコール
開発初期仕様(部品交換リ
ル改修(部品交換)
初期不良
2010/8/10/ /AIVPNCR-69
2013/3/1/ /2013/9/27/ /934
210
4 #01
8 #01
開発初期仕様(性能満たさず) 改修(部品交換)
初期不良
2011/1/27
AIVP-26
2013/4/3
2013/7/29
797
117
4 #02
SISミクサ用ヒータ故障
ヒータ修理
経年故障
2012/4/12 2013年2月 AIVNCR-320
2013/5/28
2014/4/30
411337
8 #08
CLNA バイアス異常
フィルタコネクタ（ハーネス）交換
初期不良
2012/7/11 2013年7月 AIVNCR-355
2013/9/10
2014/5/27
4262598 #04
開発初期仕様(性能満たさず) 改修(部品交換)
初期不良
2010/8/12
FENCR-305
2014/3/27
2014/5/31
1323
65
8 #68
冷却アンプ不具合
冷却アンプ交換
経年故障
2013/7/23 2013年12月 AIVP-596, AIVPN 2014/3/27
2014/7/23
247
118
8 #14
真空漏れ
ハーメチックコネクタ交換
初期不良
2012/1/17
FERFW-439
2014/3/27
2014/7/23
800
118
10 #41SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサのI
V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/6/25
FENCR-612
FENCR612
2014/5/29
2014/10/22
338
146
10 #34SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/5/1
FENCR-614
2014/8/13
2014/10/22
469
70
4 #36
冷却アンプ不具合
冷却アンプ交換
初期不良
2013/3/7
AIVPNCR-46
2014/8/13
2014/12/17
524
126
8 #61
SISミクサ動作不具合
ケーブルハーネス交換初期不良
2013/6/5 2014年5月 AIVP-710, AIVPN 2014/10/22
2014/12/5
504
44
4 #30
LO逓倍器不具合
LO逓倍器交換
経年故障
2012/11/20
AIVPNCR-26
2014/10/22
2014/12/17
701
56
10 #53
SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/9/5
AIVP-1717
2014/10/22
2015/2/3412
104
10 #33
SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/5/1
FENCR-614
2014/10/22
2015/2/3539
104
10 #31SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサのI
V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/2/7
FENCR-614
FENCR614
2014/10/22
2015/2/3622
104
4 #54
冷却アンプ不具合
ケーブル、コネクタ交換
初期不良
2013/8/8 2015年5月 AIVP-1211
2014/12/8
2015/1/23487
46
10 #51SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサ交換経年故障
2014/1/14
AIVP-1795
2014/12/9
2015/6/5
329
178
10 #42SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/6/25
AIVP-1793
2014/12/9
2015/6/5
532
178
2015/2/18
2015/6/1
631
103
10 #35冷却アンプ バイアス問題
冷却アンプ交換
初期不良
2013/5/28
FENCR-619
10 #38SISミクサのI-V特性劣化
SISミクサ交換
経年故障
2013/5/31
AIVP-1724
2015/2/18
2015/6/4
628
106
10 #36
冷却アンプ バイアス問題
冷却アンプ交換
初期不良
2013/5/28
FENCR-619
2015/2/18
2015/6/4
631
106
8 #06
真空漏れ
ハーメチックコネクタ交換(未発送)
ハメチックコネクタ交換(未発送)
初期不良2012/4/11
FERFW-367
FERFW
367,FERF
FERF 2015/3/26
2015/8/21079
129
10 #15冷却アンプ バイアス問題
冷却アンプ交換
初期不良
2012/12/7
ＮＣＲ-619 ＝＞返 2015/5/20
2015/8/2
894
74
2015/12/8 未修理
679
10 #71冷却アンプ バイアス問題
(未対応)
初期不良
2014/1/28
AIV16533
10 #43冷却アンプ バイアス問題
(未対応)
初期不良
2013/7/4
FENCR-619
未返却
10 #39冷却アンプ バイアス問題
(未対応)
初期不良
2013/9/5
AIV-15585
未返却
未返却
10 #69SISミクサのI-V特性劣化
(未対応)
経年故障
2014/1/29
AIVPNCR-88

不具合台数内訳

初期不良：設計不備により発生する不良。対処済みの受信機には同じ問題は生じない（はず）
経年変化：部品交換にて対応

ALMA受信機保守の今後
受信機保守 今後
・アルマに納品した受信機の内3年半で34台の受信機を修理した（年10台平均）・内訳として初期不良の内、製作中に判明した「初期不良」に関しては設計を見直すことにより対処が済んでいて、今後初期不良として改修を行わなければいけない受信機は減少していく
・偶発故障の多いBand10においては故障を起こしやすいロットの特定が済んでいるため 故障しにくい方に順次交換が進んでおり こちらもが済んでいるため、故障しにくい方に順次交換が進んでおり、こちらも残り台数が少ない
・よって今後の修理台数は減少して落ち着いていくことになるが、保守の技術・要員を確保するためにも他の受信機開発・協力を行いつつ技術の継承を行っていく望遠鏡受信機開発•NRO FOREST– SISミクサ評価– CLNA電源開発•「野辺山45m電波望遠鏡に搭載のFOREST受信機用超伝導（SIS）ミクサの性能測定」
2SBミクサ（2SBユニット＋左右にミクサ）

ASTE– DASH345改修– ASTE Band8（Band8B d8（B d8 QM）
改修– 3カートリッジデュア開発•アイソレータ（アルミアングルの下）

41mm

CLNA

ホーン

他望遠鏡対応– 名古屋大学 NANTEN2開発支援測定装置（中央の四角の部分がデュア）

デュア内部「天文学における技術シンポジウム」「天文学における技術シポジウム
2015/12/10 9：20より飯塚さんが報告します望遠鏡受信機開発•NRO FOREST– SISミクサ評価– CLNA電源開発•ASTE– DASH345改修– ASTE Band8（Band8B d8（B d8 QM）
改修– 3カートリッジデュア開発•他望遠鏡対応– 名古屋大学 NANTEN2
開発支援

望遠鏡受信機開発
•ASTE
Band8

NRO FOREST– SISミクサ評価– CLNA電源開発•

ASTE– DASH345改修– ASTE Band8（Band8B d8（B d8 QM）
改修– 3カートリッジデュア開発•他望遠鏡対応– 名古屋大学 NANTEN2
開発支援
DASH345

望遠鏡受信機開発•NRO FOREST– SISミクサ評価– CLNA電源開発•

ASTE– DASH345改修– ASTE Band8（Band8B d8（B d8 QM）
改修– 3カートリッジデュア開発•他望遠鏡対応

センターピラー冷凍機
3段目ステージ(4K) OFCu
2段目ステージ(15K) OFCu

輻射シールド OFCu
内側から15K,110K

1段目ステージ((110K)) Al1050
サーマルリンク– 名古屋大学 NANTEN2
開発支援「ASTE新３カートリッジデュワーの冷却性能試験」
新 カ トリッジデ ワ の冷却性能試験」「天文学における技術シンポジウム」
ポスター発表でより佐藤さんが報告します先端受信機開発•

Band1 Band2– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•Band １１– デバイス•

WideBand– RF wide band
– IF wide band•

Multi Beam
– 概念検討

開発の概要
アルマ望遠鏡に未搭載のバンド1と2受信機の開発が国際共同で推進されています
されています。
・バンド1
周波数帯:35-50 (52) GHz
参加国：台湾, アメリカ、カナダ, チリ, ⽇本
・バンド2
周波数帯:67-90 GHz
参加国：アメリカ、⽇本
どんな研究・技術が必要？
コンパクトな光学系設計、半導体技術

先端受信機開発
コルゲートホーン•– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•Band １１– デバイス••

dBand1 Band2vs
レンズ光学系

ALMA バンドd(mm)バンド1 (35(35-5050 GHz)

0.900

バンド2 (67-90 GHz)

0.432

バンド10(787-950 GHz)

0.054

バンド11GHz))(1250-1550

0.034
((!))

バンド１と２：

WideBand波⻑が⻑いため、波⻑が⻑いため
⼀般には部品が⼤きくなる。

– RF wide band
– IF wide band

新技術が必要！

Multi Beam
– 概念検討

テラヘルツビームの測定(世界初！)
1.47 THzでの測定結果 (波⻑は0.2mm!)

先端受信機開発•Band1 Band2「40GH 帯コルゲ トホ ンの試作」「40GHz帯コルゲートホーンの試作」– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•Band １１– デバイス•

WideBand– RF wide band
– IF wide band•

Multi Beam
– 概念検討「天文学における技術シンポジウム」
2015/12/10 15：10より 金子さんが報告します先端受信機開発
全ニオブミキサ(700 GHz以下)•Band1 Band2– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•

バンド10ミキサ(700-1000 GHz)
ニオブ(Nb)接合
( )

ニオブ接合

SiO2

アルミ

SiO2

バンド 11ミキサ (⽬標)
窒化ニオブ(NbN)()接合
アルミ
SiO

2

⽯英基板
サファイヤ基板単結晶ニオブ
窒化ニオブチタン(NbTiN)

⽯英基板

新たなデバイス開発
SIS接合

Band １１– デバイス•

WideBand– RF wide band
– IF wide band•

Multi Beam
– 概念検討20 μm0.5mm
新しい高精度加工方法の導入
深堀ドライエッチング

新しいSIS接合の開発
1 μm径以下 (10-6 メートル)

新しい材料
数ナノメートル厚を制御 (10-9 メートル)500nm

幅x厚み：数十マイクロメートル(μm)

先端受信機開発•

Band1 Band2– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•Band １１– デバイス•

WideBand– RF wide band
– IF wide band•

Multi Beam
– 概念検討マルチバンド技術の導⼊先端受信機開発•

Band1 Band2– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•Band １１– デバイス•

WideBand– RF wide band
– IF wide band•

Multi Beam
– 概念検討450GHzSISミクサ3‐22 GHz drop‐in Low NoiseAmplifier

先端受信機開発
マルチビーム受信機の世界的開発状況•

Band1 Band2– 光学系設計– 40GHz帯コルゲー
トホーン試作•Band １１– デバイス•

WideBandマルチビーム⽤光学系の設計

A– RF wide band
– IF wide band•

Multi Beam
– 概念検討BABまとめ• 国立天文台 先端技術センターではアルマ望遠鏡にバンド4、バンド8、バンド10受信機を計２１９台製造した。
• 各受信機開発チームは一つの受信機チームとして改組され、アルマ受信機の保守を行うとともに、他の望遠鏡開発や、先端受信機開発を行っている。