STJ検出器の較正に用いる遠赤外線源の開発

福井大工，中部大工A，筑波大数理B，福井大遠赤セC○小村祥太，折笠桂輔，廣瀬龍太，吉田拓生，
岡島茂樹A，中山和也A，金信弘B，武内勇司B，小川勇C
ニュートリノフロンティア研究会
クロスウェーブ府中 ２０１３年１２月７日

ニュートリノ崩壊とはニュートリノ崩壊ファインマン図(静止系)

ニュートリノの質量二乗差の値
3m  m  m  2.43 10 eV
232

2322

5m  m  m  7.59 10 eV2212221 3  2  

22Ref. Ahn, M. H. et al. (K2K),
Phys. Rev. D74 (2006) 072003

W 3 (質量 m3 ),

 2 (質量 m2 )m3(meV)m2(meV)m1(meV)Eγ(meV)

波長λ(μm)508.702452

遠赤外領域の電磁波

6136

242062

ニュートリノ崩壊光子のエネルギーE

8751

251489ニュートリノの寿命τ 1017～1018years(LR Symmetric Model, m3とm2にもよる)

2m32  m22 m32
E 
2m3
2m3

光子のエネルギーE が分かれば、ニュートリノの質量が決まる

検出器について

１素子

STJ検出器(Superconducting Tunnel Junction)
光子（14～24meV）

５ｍｍ

縦 : 100μm,横 : 100μm,高さ : 300nm

・超電導体2枚で絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造
・遠赤外領域の光子のエネルギー測定のために有望
Hf-STJ検出器のエネルギー分解能（理論値）～１．７％@24meV
本研究で視野に入れている光子のエネルギー(Eγ=14~24 meV、波長λ= 89~52 μm )領域で実際に性能評価をする必要がある

宇宙背景ニュートリノ
ビッグバンによって宇宙が生まれたとき、光子や電子やクォークなどと共に大量に生成され、今でも大量に宇宙の中を飛び交っていると考えられているが、未発見。

崩壊する確率は極めて低いため、観測するには大量のニュートリノが必要↓
宇宙に大量に存在するであろう
宇宙背景ニュートリノを観測対象とする粒子が飛び交う宇宙
光子： 400個/cm3 (約3K)
ニュートリノ：100個/cm3 （理論による予測,約1.9K）
ニュートリノの寿命τ 1017～1018years

STJ検出器性能評価
性能評価には光子のエネルギーEγ= 14~24meV(波長 : 89~52 μm 周波数 : 1.2~6.1 THz)の光源が必要

遠赤外分子レーザーの特徴（設計仕様）
 アルコールガス(CH3OHなど)をCO2レーザーで励起させ、遠赤外レーザーを発振

出口 発振波長：40μm～500μm(Eγ ：31meV～2.5meV、周波数 : 7.2～0.6 THz)の間 の約70本の単色発振線から任意の一つを選択可 連続波発振

分子レーザーをＳＴＪ検出器性能評価に用いることができる

福井大学遠赤外線領域開発センターの
遠赤外分子レーザーシステム
中部大学 岡島研で開発

他のレーザーとの比較
遠赤外分子レーザー
λ=40μm～500μm(Eγ=31～2.5meV)
CO2レーザー
λ=9μm～11μm
半導体レーザー

波長0.11

高出力ジャイロトロン

10100

103

104

1THz
ニュートリノ崩壊光子
λ=52μm～89μm(Eγ=24～14meV)※ジャイロトロン：磁場に巻き付いた電子の回転運動をエネルギー源として、高周波を発振させる大型の電子管

105(μm)1GHz

CO2レーザー励起の遠赤外分子レーザーシステム模式図
CO2レーザーを分子レーザーに入射させ、分子レーザー共振器内に満たされたガスを励起

遠赤外レーザーを発振

CO2レーザー装置

高電圧(~10kV)をかけてガスを励起

CO2+N2+Heガスin
ZnSeCO2レーザー出力鏡

Au+Cu回折格子

CO2レーザー共振器長2.4 m付近で微調放電長：1.1m

放電長：1.1m

分子レーザー装置

Au+Cu入力
結合鏡

共振器長2.4 m付近で微調共振器長：2.4 m

Siハイブリッド
出力鏡
遠赤外レーザー

CH3OH等を入れる
容器

励起用CO2レーザー装置
ZnSeCO2レーザー出力鏡
圧電素子による共振器長の微調整

CO2+N2+Heガスin 高電圧(~10kV)をかけてガスを励起

Au+Cu回折格子
角度調節による発振線の選択

CO2レーザー
共振器長9R(34)

レーザー管(パイレックスガラス製)

共振器長2.4m付近で微調(半波長の整数倍で共振)
9μm帯発振線

９μm～１１μmに多くの発振線を持つ（CO2分子の振動・回転状態によって様々なエネルギー準位を持つから）
例：発振線9R(34)9μm帯の波長でCO2分子の角運動量が35から34に遷移遠赤外分子レーザー装置
遠赤外分子レーザーの発振線の選択方法
・分子レーザー共振器内に入れるガスを１つ選び
・CO2レーザーの発振線を選択し・分子レーザーの共振器長を微調整する

真空に引くことで共振管内をアルコールの蒸気で満たす
ガスアウト

分子レーザー共振器内に入れるガス
ガラス容器： CH3OH、CD3OH、CH2DOH 、CHD2OH、CH3I (D=重水素）
ガスボンベ：CH2F2

レーザー管(パイレックスガラス製)

CO2レーザー光

遠赤外レーザー
スポット：10mmφ

Siハイブリッド出力鏡

Au+Cu入力鏡・中心から9mm離れた所に3mmφの穴が空いている共振器長：2.4m
共振器長2.4m付近で微調(半波長の整数倍で共振)

・CO2レｰザー光は反射・ステッピングモーターで共振器長の微調整

分子レーザーの稼働テスト
励起CO2レーザー光

ミラーはステッピングモーター駆動のステージで制御

同期信号

チョッパー(25Hz)

レーザー強度（A.U.）

x(μm)
8

遠赤外レーザー光40

ロックインアンプ

0λ/2(半波長毎に共振)

7

データーロ
ガーへ

焦電検出器

λ=52.9μm

6543210020406080100120140160

共振器長の微調節（ミラーの位置座標）x （μm）

使用ガスCD3OH

CO2発振線

CO2出力(W)

波長(μm)

光子のエネルギー(meV)

出力(mW)

9R(34)

57

52.9

23.5

4.2

出力は
パワーメー ターで別途測定

レーザー出力(A.U.)

λ=43.7μm

使用ガス CO2発振線

波長(μm)

光子のエネルギー
(meV)

CD3OH

43.7

28.4

10R(18)共振器長の微調節（ミラーの位置座標）x （μm）

レーザー出力(A.U.)

λ=86.4μm
使用ガス CO2発振線

波長(μm)

光子のエネルギー
(meV)

CD3OH

86.4

15.2

10R(16)共振器長の微調節（ミラーの位置座標）x （μm）

遠赤外レーザー発振線(70本の設計値の一部抜粋)
使用ガスCO2発振線

CO2出力(W)

波長(μm)

光子のエネルギー(meV)

出力(mW)

CD3OH

10R(18)

(89)

43.7

28.4(6)CD3OH

9R(34)

57

52.9

23.5

4.2

CH3OH

10R(16)

(123)

63.0

19.7(54)

CD3OH

10R(16)

(99)

86.4

14.4(25)

CH3OH

9R(10)(83)

96.5

12.9(68)

CH2DOH

10P(26)

(110)

150.6

8.2(24)

CH2DOH

9P(14)

(85)

206.7

6.0(19)→は確認済みの発振線。
（ ）内は設計値
本研究で視野にいれているニュートリノ崩壊光子のエネルギー領域（ Eγ= 14~24 meV、波長λ= 89~52 μm ） ※出力4.2mWで照射される光子はがカバーされている
1012個/μs（10mmφのスポットあたり）

連続発振線のパルス化(回転ミラー方式)
光信号に対する検出器の応答を調べたいのでパルス化する必要がある。
→STJ検出器用のアンプの時定数に合わせて１μs以下を目標
APD (C5460 APD Module)(f 1.5 mm, DC～10 MHz)
スリット

回転ミラー
(3600rpm ,60 Hz)(f 100 mm, 8 mirrors)

40.0 mm42.5 mm
Mirror回転ミラー方式でのパルス時間幅～0.8 μ s（FWHM）

結論●遠赤外分子レーザーの稼働テストを行い、本研究で視野にいれているニュートリノ崩壊光子のエネルギー領域(Eγ=14~24 meV、波長λ= 89~52 μm)に対応した発振線を確認し、出力を測定した●連続波発振であるレーザーをパルス化→回転ミラー：0.8μs

今後の展望◆ＳＴＪ検出器の性能評価のため、本研究で視野に入れているエネルギー領域(Eγ=14~24 meV、波長λ= 89~52 μm)に対応した分子レーザーの発振線を更に確認していく◆分子レーザーでパルス化のテスト◆出力が強いので減光するテスト(アテネーター、Defocus)
この遠赤外分子レーザーを実際にSTJ検出器に照射し、STJ検出器の性能評価を行う

STJ検出器性能評価実験
CO2レーザー

遠赤外分子レーザー

回転ミラー
アテネーター

出力4.2mWで照射される光子は1012個/pulse(=1μs)（10mmφのスポットあたり）

スリット

検出器（100μm×100μm）あたり照射される光子は108個/μs
冷凍機

1%のアテネーターを4枚入れると照射される光子は平均1個/μs

STJ検出器

ご静聴ありがとうございました予備スライド  ニュートリノとは？
第一世代

第二世代

第三世代

e











e



特徴
・３種類ある・質量の二乗差だけ分かっている・透過性が非常に高い・寿命が非常に長いm  m  m
2
32

2
322

ニュートリノの二乗差

カミオカの振動実験
によって発見された検出が困難

STJ検出器のエネルギー分解能
光子のエネルギー測定精度 E  1.7( FE )エネルギー分解能E

光子のエネルギー : Eγ
エネルギーギャップ : ΔE

ファノ因子: F = 0.2
Ref. M.Kurakado, Nucl. Instr. And Meth. 196(1982)275

MaterialNbAl
HfΔ (meV)

1.55
0.172
0.021

エネルギー分解能(%)

14.8
4.9
1.7

ニュートリノの寿命
標準模型

1

ref. P.B.Pal and L.Wolfenstein, Phys. Rev.D25, 766-773(1982)

9G  m

4 8192  m32F2323

 22  m  m3  m2  2  MW (22  2.65 1043years
質量二乗差 : Δm322 = 2.43 × 10-3 eV2
ν3、ν2の質量 : m3 = 50 meV, m2 = 8.7 meV
τ粒子の質量 : mτ= 1.78 GeV
微細構造定数 : α = 7.30 × 10-3
フェルミカップリング定数 : GF = 1.17 × 10-5 GeV-2
Weak Bosonの質量 : MW = 80.4Ge標準模型だと寿命が非常に長い

ニュートリノの崩壊幅が大きくなる
右巻きWeakBosonが存在する
L-R対称模型で計算する。

ニュートリノの寿命


1

G

32

2F4 m m3232

3

ref. R.E.Schrock, Nucl. Phys. B206 (1982) 359
ref. M.Czakon,Phys.Lett. B458(1999)355

22422m  M W 1 MW1 9222222
1  2   4m 1  2  sin 2 
 U 32 U 33 
m3  m24 
MW1  MW 2  64
 MW 2 (

質量二乗差 : Δm322 = 2.43 × 10-3 eV2 、ν3、ν2の質量 : m3 = 50 meV, m2 = 8.7 meV
τ粒子の質量 : mτ= 1.78 GeV 、微細構造定数 : α = 7.30 × 10-3
フェルミカップリング定数 : GF = 1.17 × 10-5 GeV-2
WLの質量 : MW1 = 80.4Ge 、WRの質量下限 : MW2 = 0.715 TeVWLとWRの混合角の上限 : sinζ = 0.01318  1.10 10

寿命がとても長いため、ニュートリノの崩壊を観測するためには数多くのニュートリノが必要となる。

宇宙に膨大に存在していると言われる宇宙背景ニュートリノを観測対称とする

years

崩壊光子と宇宙背景赤外輻射(CIB)のエネルギー分布

バックグラウンド
宇宙背景赤外輻射(CIB)など(COBEとAKARIの観測結果から予測)崩壊光子のエネルギーは赤方偏移によって一定値なので一本の線になるはずが・・・テールを引く（𝐸𝛾 =24meV）

観測時間

１１２日

検出器の大きさ
検出器の視野角

直径２０cm３°

光子のエネルギー

ニュートリノ崩壊光子

sharp edge
1
2・検出器の分解能0%,ニュートリノ重心系での崩壊光子のエネルギー（𝐸𝛾 =24meV）で鋭く切り立った形を成す。
Ref. Physics Procedia, Volume 37, 2012, Pages 667-674
・実際の観測では、検出器の分解能とニュートリノの熱運動によって僅かに滲む。
（式に沿ってシミュレーション）

 E  3
dN
c 0   M    dE dSddt 4H 0 E  E 

検出原理
ニュートリノ崩壊光子のエネルギーとバックグラウンド（CIB)を足し合わせたヒストグラム

シミュレーション条件
ニュートリノ崩壊光子のエネルギー（分解能1.7%ｒｍｓ)
・ニュートリノ熱運動による滲みは無視してよい

傾き

観測時間

１１２日

検出器の大きさ
検出器の視野角
検出器の分解能

直径２０cm３°
1.7%ｒｍｓ・エネルギーで微分すること
で、傾きを求める。
・エッジの部分（ 𝐸𝛾 ）で傾きが急に大きくなる。

宇宙背景赤外幅射(CIB)・崩壊現象の有無を確認。
24meV

光子のエネルギー

CO2レーザー原理①
均衡状態

O

C

CO2分子の振動状態は、(ν1,ν2,ν3)の３つの量子数の組み合わせで表される。

O

対称伸縮振動状態ν1

OCO

屈曲振動状態ν2C

O

O

非対称伸縮振動状態ν3O

C

O

振動状態によって決まる
振動エネルギー準位は、さらに回転量子数Jによるいくつかのエネルギー準位からなる

CO2レーザー原理②(001)610P6543210610R49P69R46(100)432
10(J-1)から(J)の遷移をPブランチ(J+1)から(J)の遷移をRブランチと呼び、P(J)、R(J)と表記

5(020) 43210CO25

励起されたCO2分子は(001)を上準位(J=5)とし、(100)または(020)を下準位として落ちる。

(000)

CO2レーザーの特徴
・赤外領域における高出力かつ高効率の分子レーザー
・9μm～11μmに多くの発振線

CO2レーザー励起の遠赤外分子レーザー原理
9μm～11μmの波長帯域に吸収帯をもつ分子は非常に多い①CO2レーザー線を強く吸収②大きな永久双極子モーメントを持ち、回転遷移の遷移確率が大きい③エネルギー準位あたりの分子の分布数が大きい④約6原子以下の分子

励起振動状態
ν=ν’J’
FIR laserJ’-1
FIR laserJ’-2

CO2 laser
周波数が一致ν=0J+1FIR laser

J

基底振動状態特徴
・放電励起とは異なり電子衝突による分子の解離問題がない
・遠赤外分子レーザー媒質に多原子分子が使えるCO2レーザー発振線

アテネーター
商品名：Quasioptical Thin Film
Attenuator TFA-4 N2512
特徴：厚さ5μmのポリエステルフィル
ムに金属を蒸着したもの。
蒸着した金属の厚さによって透過率が決まる。
Slider label
30
103
1Transmission, %
30.5
10.5
3.5
0.8

連続発振線のパルス化(チョッパー方式)
オシロスコープ

直径100mm、スリット幅1mm、100Hzで回転
10kΩ

波長630nm(可視光)、連続波発振
チョッパー

He-Ne レーザー

9V
フォトトランジスタ～30μs（FWHM）

パルス時間幅30μs→スリット幅：0.1mm、回転周期:400Hzで1μs以下にできると考えられる

伝送路モデル(チョッパー方式)
CO2レーザーCO2レーザー

冷凍機

遠赤外レーザー分子レーザー

チョッパー

アテネーター

STJ検出器分子レーザー入力鏡
３ｍｍφ

分子レーザー出力鏡
CO2および分子レーザーを反射

CO2は反射。分子レーザーは通す。

GaAsショットキーバリアダイオード(SBD)
・常温で使用できる・金属＋半導体
・高感度で低ノイズ・金属と半導体を接合することでできるエネルギー障壁（ショットキーバリア）を利用したダイオード

アンテナ

SBD

検波出力

ショットキーバリアダイオード（SBD）の特性• 耐圧が低く、漏れ電流が大きい• 順方向電圧が低い→耐圧を高くするとV＋も大きくなる(耐圧は現在100V前後)
ショットキー
バリア

価電子帯

伝導帯

禁止帯
価電子帯

金属

半導体

・金属側に＋の電圧をかけた場合は印加電圧分だ
け伝導帯が持ち上がり、電子が金属側に流れる。
・金属側に－の電圧をかけた場合はショットキーバ
リアの壁があり、電子は金属側に流れない。

焦電素子（ここで焦電検出器＝焦電素子＋オペアンプ）
１０ＭΩ

１ＭΩ

１ＫΩ
１８Ｖ

－
パイロ素子

＋

ＬＦ３５７Ｈ－１８ＶOutput