stto va
ba
enipdaaibrelde oexci
f rum
auarge arrrsa[y1s6.]. The
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amopf ltihfie rssupercChpso cross theuesfavorable to
p
alkst
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birxecany)ngmu
ir ntchyeirresopwonnse
uppressing t
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y
, the or
arm
ividnugalthpeixheilgh
fer of heatmultaneousl
eded may va So f entreosfpleacrtgieveadrreanyssitiaess,inad⇥ecti hemes as wleell ass sthe trans arrays is
c
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t
lex reacpnetic field. Sivity of largeujtingeinlcom
r, the sensiti
netic field ne
suln
is makaendscabltingu, ren g. Most importantly howeve kground-limited detection.
lt as the mag
n
i
h
T
.
ugh the cabloce-based bacrhtough for spa
ons is di⌅cu
or prop ertiest not high en
n
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ese barrier are
nducting rcor
up efroh lse
itcatonsstwriations in th
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in large arra
to b e a1.f2.o3 rmsn
onductr
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(with photono the detecti
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pair,
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dout of manapixels requAiprromising new approach y stream of incoming photeonso,rbchedanagnidn bre
it
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gyexcitais abaeinreerd
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cutonrd.. Middle
rs [16]. Theo far, the rea
n
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mpael rbcaocnkdguro
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r than 2 ) F
leads to a chighexfcrietqau
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of large arrashttes as wellalrgea
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t
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l
d
n
ling. Most im
ed backgrou
ough the cabor space-bas
fhigh enoughpresent not

2.3

ubs
t
sup erconduc
onatorss is by usingn
ion of photo
hoton energy
to the detect
tons (with p
o
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p
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w approach
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promising ne
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t
s
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ations, changetits [16]. The s
unpaired exc
onductor.
ng resonatorer pairs intopooof the sup erc
e
s
n
o
p
) breaks up C
requency res
arger than 2
ng the high fsities, a⇥ecti
esp ective den

ir,a Co op er pa/
and breaksћ"#$!
is absorb ed)
iddle: The
N(EM
.
d
n
energy10 ( - ) /al backgrou!
hoton withthe kinetic: Left: A pof the thermn,Cooper pairFigure 1.2
o a change ind breaks aions on top
a
t
t
d
e
s
a
b
r
t
o
d
s
i
b
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c
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iddle: The
th energy
ground. M
wis
k
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.
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t
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2
.
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1
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iguirrcreating qua
excitations
he Fc
nd quasipart
es leads to a
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s
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c
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y
p
c
uit shifts.
creating qua
nd quasipartariay of the circp
the Co op er
nce frequenc
the Cooper
ance frequenntransmissionoresona(dB)stransmission(dB)ervariation inehequently thetvariation inyltnRight: Subseuqe
inductance.
Right: Subs
inductance.

←510
·ÈœŠśZEMAXķŁ

最初に述べたように MKID とはマイクロ波帯で動作する超伝導共振器であり、等価回路­@F VFºFñ GIÇ¥«L
10ńíŒŤŗśŕŊňōŬŦË
ら分かるようにキャパシタンスとインダクタンスが並列接続された構造を持つ。また、

E

南極10mテラヘルツ望遠鏡計画

"Figure 1.2: Left: A photon with energy
is absorbed and breaks acreating quasiparticle excitations on top of the thermal background.
variation in the Cooper pair and quasiparticle densities leads to a change
inductance. Right: Subsequently the resonance frequency of the circuit
oldCatching c!

1ID では共振器の長さは読み出しに使用するマイクロ波0(一般には­@F
4 - 8
GHz)の 1/4Ķô8波 ÷±ÿþĂüĒø
)@ééàĸŜŲŦćŎűŎŮŚŉň;8ĹěN÷xęĄüĘøĴĠŃě8x¾ĸëVFºFñGIÇ¥«L
quasiparticle

筑波大学
理工学群物理学類
筑波大学
理工学群物理学類
宇宙観測研究室
ŏŊśĵ{_ĪŅĳġńĜüúĀę ýúüになっていることから長さに対応したマイďĊē W:ĴĹěØZHJ īıÇĥ.»ĴĠŃěý ďĊē ŇÐģńW:ĴĿ{ķĹになっており、片側
short
,
もう片側が
open
VFºFñ GIÇ¥«L
Chapter 7. Development of a Wide-Field Camera System for Millimeter-WaveýüöĒåĸÇÁ¹Ĝ³DĹčČċĈĎ
ųMicrowave Kinetic Inductance
DetectorŴĵ3ĺŅńÐ P4ŇġńĜĄāüöĉĊēWÿ(³DĸŋŧŬĤ
łŒŔŲśĭńĥěĀüüöĉĊēĤłýúÿöďĊ
C
ĸ?¿ŋŧŬļĵæ
ŇÚľńĜčČċĈ ôÿþĂüĒ
2π)ŜŲŦćŎűŎŮŚŉň;8
口径10mアンテナ
観測サイト
!
ω
−
∆ω
=
(2.10)00)¸ăāĔĂė~´ýþÿĔýąė
Lg+Lk
Ňôf\Ĵ'ĪįńıľķüúýöČ²ĸ
1
南極ドームCコンコルディア基地
00 um
4l (Lg + Lk + ∆Lk )C ôÿþĂüĒ
y 南緯 75°6′東経123°19′
Cy 標高3260m
ŇaÃĵĭńĥěë%#なり、図 2.3 に示すように低周波側にシフトする。
また、図 2.4 に示すように
short
端では電流が最大、電圧が最小であり、
open
端では電
)
B
d
(
Figure 7.21: A photograph of 608-pixel MKID camera
with
AR-coatedsiliconlens
array.
nĿÌðĴĠńĜÉĴĹěĀüüöĉĊēù
o
i
s
s
i
511 MKIDĵYíň 512 ŢŰśŔŊŢĸ220transm
が最大、電流が最小となっている。力学インダクタンスの変化に対する感度、つまりűřŝĄāüöĉĊēùöýÿüüöĉĊēĸŶŞűŜĴ0É±
GHzW600³DŋŧŬĜ
ID の感度は shortand端で最大となるため
short 端でフォトンをたくさん吸収しクーパー
approximately 1 mm-size silicon-carbide-grains
act as scattering substance for thefrequency range
millimeter-waveMKID
to terahertz.
南極内陸部の大気透過率と気象（ドームふじでの測定）を破壊したい。そのため図2.5fromに示すようにでは short 端にアンテナを付けてサýĂüüü³DĸŋŧŬĵĶńĜs

N(E)Cooper pairћ"#$!

Cooper pairssresonducting
ith sup erc
photons w)@ééàĸŜŲŦćŎűŎŮŚŉň;8ĹěN
÷x

ęĄüĘø
Ķô8
÷±ÿþĂüĒø
ĴĠ.»ķĶńĜhĝĹÞräĸlŇ¢jīĳěýüĒ
řŬţŮŘzÞåĸÊ¹ÉŇÚľĳġńĜňűřŝ°ĹŭŗŖ
ロ波で共振を起こす。この時、共振周波数
ω0 は
134Observations
南極大陸内陸部のドームCコンコルディア基地は、寒冷 (最低気温(最低気温 −80℃)−80℃) な高地 (約3260m) であり、地上最良の電波観測
南極大陸内陸部のドームCコンコルディア基地は、寒冷ŏŊśĵ{_ĪŅĳġńĜüúĀ ę ýúü ďĊē W:ĴĹěØZHJ īıÇĥ.»ĴĠŃěý ďĊē ŇÐģŖňűF°ĵīě[ġÆãŇ§ĭńĜþĲĸŝŒťŒķĹěëŋŧŬ°,ĵţřŰŕŊű°,ŇÊ¹ī
N ÷x  ęĄüĘø Ķô8 ÷±ÿþĂüĒø ĴĠŃě8x¾ĸëÇ
サイトと期待されている。0.4 −− .»ķĶńĜhĝĹÞräĸlŇ¢jīĳěýüĒ
1.0 THzHz 帯域では、通年安定帯域では、通年安定
した観測が可能であり、1
Hz
サイトと期待されている。0.4
1.0
した観測が可能であり、1
THzを超える帯域でも冬期には観測
2πřŬţŮŘzÞåĸÊ¹ÉŇÚľĳġńĜ
ブルスロットřŝBàĸ!ŃwģåķŁŃěþĲĸŇßiĭńĜÂpĸ,ŇoÒJĴĠńĥěëŋŧŬĹĄāüĉĊēWěØZHJ īıÇĥ.»ĴĠŃěý
ďĊē!ŇÐģńW:ĴĿ{ķĹÇ
ω
=
(2.9)
0
可能になる。我々は遠方銀河の探査を目指して、10m
テラヘルツ望遠鏡の設置計画を進めている。アンテナ系はリッチーク
可能になる。我々は遠方銀河の探査を目指して、10m
テラヘルツ望遠鏡の設置計画を進めている。アンテナ系はリッチークレ
アンテナŖňűF°ĵīě[ġÆãŇ§ĭńĜþĲĸŝŒťŒķĹěëŋŧŬ°,ĵţřŰŕŊű
4l
(L
+
L
)C
³ěţřŰŕŊű°ĹěāüüûĄüüĉĊēWĤłæ
ĭńĜÁ¹Ĺ¬)ĸÜáĶ<ĴĸÊ¹Ûķ&ģě*gküĒ řŬţŮŘzÞåĸÊ¹ÉŇÚľĳġńĜňűřŝ°ĹŭŗŖŲŌů
レチアン光学系とし、広い視野を確保する。2つのナスミス焦点には、電波カメラ系受信機とヘテロダイン系受信機を設置し、ア
チアン光学系とし、広い視野を確保する。2つのナスミス焦点には、電波カメラ系受信機とヘテロダイン系受信機を設置し、アンřŝBàĸ!ŃwģåķŁŃěþĲĸŇßiĭńĜÂpĸ,ŇoÒJĴĠńĥěëŋ%ĸ"±ŇıĭaÃĥĠńĜþüþÿZĤłĸÇæCŇ¢jīĳě7ěbÊÉŇÚľĳġńĜ
ŒťŒķĹěëŋŧŬ°,ĵţřŰŕŊű°,ŇÊ¹īěňű表される。ここで、lは共振器の長さ、L,C
は超伝導配線が持つインダクタンス、キャg
ンテナ中央部の切り替え鏡により、2つの焦点を選択する。複数の受信機を搭載予定であるが、電波カメラは
850
GHz帯
3千
テナ中央部の切り替え鏡により、2つの焦点を選択する。複数の受信機を搭載予定であるが、電波カメラは
850
GHz帯
3千画
³ěţřŰŕŊű°ĹěāüüûĄüüĉĊēWĤłæ ĭńĜÁ¹Ĺ ¬)ĸÜáĶ<ĴĸÊĭńĜÂpĸ,ŇoÒJĴĠńĥěëŋŧŬĹ
Ąāü
ĉĊēW
ÿ(
シタンスである。
MKID
に
E
＜
hν
のエネルギーを持つフォトンが入射しクーパー対
gap %ĸ"±ŇıĭaÃĥĠńĜþüþÿZĤłĸÇæCŇ¢jīĳě7ěbÊÉŇÚľĳġńĜ
画素、ヘテロダイン系は、500/800
GHz帯から開発する。全装置は低温等南極の過酷な環境下での設置運用に加え、厳しい素、ヘテロダイン系は、500/800GHz帯から開発する。全装置は低温等南極の過酷な環境下での設置運用に加え、厳しい電
15þ )@éĵ/;8KID
力学インダクタンスはクーパー対の慣性質量に起因するため、超伝導体に E ＜ hν のńĜÁ¹Ĺ
¬)ĸÜáĶ<ĴĸÊ¹Ûķ&ģě*īġëuõälķĹě?³DŋŧŬŇoÒĴĦń[ÆãųĆýĔŴĤĲ
エネルギーを持つフォトンが入射しクーパー対を破壊すると力学インダクタンスが変化)ŜŲŦćŎűŎŮŚŉň;8
破壊すると力学インダクタンスが変化することから、共振周波数は電力の制約を満たす必要がある。2023年からの観測開始を目指して、現在、概念設計を進めている。
力の制約を満たす必要がある。2025年からの観測開始を目指して、現在、概念設計を進めている。
èĹŎűŠŪŲőūűĴĽńıľěýüöĒ²-^ĥaîĜする。
MKID とはこの力学インダクタンスの変化を読み取る直接検出器である。図 2.2 に入射光子
ýüüüđĒ )¸ ăāĔĂė~´ýþÿĔýąė
<ěÔÖŀë%ĸ"±ĴěŽýúāööďĊēŇÇ¢æCŇ¢jīĳě7ěbÊÉŇÚľĳġńĜ
MKID
および等価回路を示す。
15þ )@éĵ/;8
gap

!

N(E)

0

10 ("-"
5

-5

-30
-10
-20

ћ"#$!

-10

quasiparticles

E

ir,a Cooper pa
and breaks
is absorbed
le: Theenergyund. Middhoton withmal backgrorehinetic: Left: A p
top of the tange in the k
Figure 1.2
citations on
leads to a chskysiparticle ex
icle densities
n eye for theuit shifts.
creating qua
nd quasipartariay of the circChapter 1. Ap
nce frequenc
the Coopertransmission
resona(dB)variation inequently the0

Right: S
uplinginductance. 6
is requires comain, but threquency dont.
done in the fy developmeadout can betes large arr
ction,
natively, rea
his complica
g tunnel jun
n
T
i
t
.
c
r
o
u
d
to a resonat
itedis a supercon
each sensor
m photo-exc
ng detector
o
i
r
k
f
a
g
n
i
s
i
r
s
of a pair-bre
he current atgn
the barrier i
An example
by monitoririer [15]. If
ts radiationng oxide bar
italve throughuwhich detec
el, i.e. to movery thin ins
s crossing atrons to tunn
c
e
l
e
s
oper pairsquasiparticle
k is that Co
chanics allowcquantum me. A drawba
rehtt using aothin enough,be tuned ou
rode to the
o
t
t
c
s
d
e
rom one ele
array ofn current ne
the barrier furrent in an
his Josephso
c
t
,
n
o
s
s the barrierg the Joseph
ns, duecan also crosly suppressinmong junctio
s
a
u
o
y
e
r
a
v
y
a
ld. Simultans lesseld needed mmagnetic fie
nel junction
e magnetic fi
s makes tun
di⌅cult as th
perties. Thi
junctions is
r area or pro
in the barriecle forto variations
idable obsta
rrays.
a
m
r
e
o
f
a
e
b
rs
place in larg
as proven toown amplifie
0favorable toany pixels hrequire theireadout of midual pixelsv
isfer of heat
So far, the rarrays as indll as the tranent of large
hemes as wearrays isx readout sc
the developm
elpm
ivity of largeocer, the sensitv
resulting inrtantly howe
and cabling,d detection.
. Most impo
round-limite- 10
h the cablingg-based backg
u
o
r
h
t
gh for spaceot high enouat present ns-Equasiparticle

ћ"#$!

!

s

N(E)

Cooper pairquasiparticle

ћ"#$!

s

Cooper pair

A promising new approach to the detection of photons is by using s
ing resonators [16]. The steady stream of incoming photons (with plarger than 2 ) breaks up Cooper pairs into unpaired excitations, crespective densities, a⇥ecting the high frequency response of the sup
1.2.3

Figure 1.2: Left: A photon with energy
is absorbed and breaks a Cooper pair,creating quasiparticle excitations on top of the thermal background. Middle: Thevariation in the Cooper pair and quasiparticle densities leads to a change in the kinetic
inductance. Right: Subsequently the resonance frequency of the circuit shifts.

電波カメラ
1 K Si Lens
4 K Si Lens
and its curvature radius is 80 mm. The length and diameter of the nested baffle are(dia. = 400 mm) (dia. = 110 mm)

!

N(E)
!"
/"
0 0
!
-30
Left: A photon with energy
isabsorbed-10-50
5Cooperpairsand breaks a Cooper pair,5iparticle excitations on top of the thermal background. Middle: The
10
(
"
"
)/
"
0
0
e Cooper pair and quasiparticle densities leads to a change in the kinetic
ight: Subsequently the resonance frequency of the circuit shifts.
Figure 1.2: Left: A photon with energy
is absorbed and breaks a Cooper pair,creating quasiparticle excitations on top of the thermal background. Middle: Thevariation in the Cooper pair and quasiparticle densities leads to a change in the kinetic
inductance. Right: Subsequently the resonance frequency of the circuit shifts.

- 20

- 30
- 10

ductng supercon
onators
ons is by usi
0c0tion of phot
hoton energy
h to the detetons (with p
new approac
ncoming phoifoanging theirm
5
A promisingcitations, chsteady strea
x
e
e
h
d
e
r
i
a
6]. T0p
uctor.
resonators [1pairs into un
r
e
in-g5
p
he supercond
reaks up Coo
response of tr than 2 ) b
gh frequency
large5ecting the hi⇥"ities,)a/
ns"
deve"
0
specti(1re00E

ミリ波のフォトンを効率よく吸収するような構造になっている。

E

力学インダクタンスはクーパー対の慣性質量に起因するため、超伝導体に [Æãĸ§→ŭŗŖŲŌůŖňűåĵ$åų+víŴuõälķĹě?³DŋŧŬŇoÒĴĦń[Æエネルギーを持つフォトンが入射しクーパー対を破壊すると力学インダク
 0.41.5THzĽĴĸÇų È»5”ź1.5THzŴ
図2 南極大陸と各基地
èĹŎűŠŪŲőūűĴĽńıľěýüöĒ²する。
MKID とはこの力学インダクタンスの変化を読み取る直接検出器であ→j2¯\( <¶O2ĕě<ÕS0.5Ė)ěåí¯\(Ź20um)
ýüüüđĒ
暗黒銀河探査には、多素子カメラを搭載できる広視野（>1°）かつ
<ěÔÖŀë%ĸ"±ĴěŽýúāööďĊēŇÇ
MKID
および等価回路を示す。
力学インダクタンスはクーパー対の慣性質量に起因するため、超伝導体に Egap ＜ hν の検出限界はコンフュージョンで決まるため、10m級口径が必須。低58→10måĸ>ÇĜêíĸ
uõälķĹě?³DŋŧŬŇoÒĴĦń[ÆãųĆýĔŴĤĲ
[Æãĸ§→ŭŗŖŲŌůŖňűåĵ$åų+víŴ
エネルギーを持つフォトンが入射しクーパー対を破壊すると力学インダクタンスが変化
1000km;¨ķě¬ķŁń
温環境、輸送や電力の制約下で、～1.5  0.41.5THzĽĴĸÇų
Hzを観測目標èĹŎűŠŪŲőūűĴĽńıľěýüöĒ²-^ĥaîĜÈ»5”ź1.5THzŴ
する。MKID とはこの力学インダクタンスの変化を読み取る直接検出器である。図 2.2 にĦŇĭńŇÊĨńĜĚy 広視野の確保→リッチークレチアン主鏡と副鏡（双曲面）<ěÔÖŀë%ĸ"±ĴěŽýúāööďĊēŇÇ¢→j2¯\( <¶O2ĕě<ÕS0.5Ė)ěåí¯\(Ź20um)
MKID および等価回路を示す。
ŜŲŦć
y 0.4〜1.5THzまでの観測（分解能5”＠1.5THz） 59→ şŲŦ Öňűřŝ°Ĺě58→ 10måĸ>ÇĜê [Æãĸ§→ŭŗŖŲŌůŖňűåĵ$åų+víŴåě$åě!wåĴ gųF6Ŵ ;¨ķě¬ķŁ
→指向精度(<絶対2“、<追尾0.5”)、鏡面精度(＜20um)
 0.41.5THzĽĴĸÇųÈ»5”ź1.5THzŴ
5ý ŜŲŦćŎűŎŮŚŉň;8ţřŰŕŊű,ĵěëŋŧŬĦŇĭń ŇÊ
図8→10m鏡の外観。雪面のĚ→j2¯\( <¶O2ĕě<ÕS0.5Ė)ěåí¯\(Ź20um)
Ĺě!wåķŁŃġĮŅĤŇßi
図 2.2: (左
)MKID
(
右
)MKID
の等価回路 (Barends, 2009)
基礎に、不等沈下による傾ŜŲŦć
59→ şŲŦ Öňűřŝ
58→ 10måĸ>ÇĜêíĸ
きを修正する機構を設ける。
←510 ·ÈœŠśZEMAXķŁ
●åě$åě!wåĴ
g
最初に述べたように
MKIDとはマイクロ波帯で動作する超伝導共振器であり、等価回路;¨ķě¬ķŁń
220 GHzĸ@×ÜJĴě} ĸdġ=ĴĿALMAŏŊśĸx¾{ųŴĵńíŒŤŗśŕŊňōŬŦË
5ýŜŲŦćŎűŎŮŚŉň;8ţřŰŕŊű,ĵěëĦŇĭńŇÊĨńĜ
から分かるようにキャパシタンスとインダクタンスが並列接続された構造を持つ。また、
"
ドームC
図9→
ビーム伝送アンテナ系は、
Ě1¬ĴěHJcĹŅĳġńµŇ`ıų5ŷŴĜÉ®ŇġıŐŪťůŲŐūű MKID では共振器の長さは読み出しに使用するマイクロ波
Ĺě!wåķŁŃġĮŅĤŇ
(一般には
4 - 8(右
GHz)
の 1/4
波
図 2.2:(左)MKID)MKIDの等価回路(Barends, 2009)
主鏡、副鏡、切替鏡で構成（F〜6）ŜŲŦć
59→ şŲŦ Öňűřŝ°Ĺě
ĴĹě1 THzŇÐģńï:ĿÇĥ.»ĴĠńĜ
長になっており、片側
short , もう片側が open になっていることから長さに対応したマイ
図1 ドームCコンコルディア基地
ヘテロダイン受信機と、電波カメラ
Chapter 7. Development of a Wide-Field Camera System for Millimeter-Wave←510 ·ÈœŠśZEMA
ýüöĒåĸÇÁ¹Ĝ³DĹ
åě$åě!wåĴ
gųF6Ŵ
最初に述べたように
MKIDとはマイクロ波帯で動作する超伝導共振器であクロ波で共振を起こす。この時、共振周波数
ω0 は
134Observations
220 GHzĸ@×ÜJĴě}
ĸdġ=ĴĿALMAŏŊśĸx¾{ųŴĵ
は、切替鏡によりいずれかを選択
54→
220
GHz
ńíŒŤŗśŕŊňōŬŦ
ţřŰŕŊű,ĵěëŋŧŬ
から分かるようにキャパシタンスとインダクタンスが並列接続された構造をųMicrowave
Kinetic
Inductan1¬ĴěHJcĹŅĳġńµŇ`ıų5ŷŴĜÉ®ŇġıŐŪťůŲŐūű
電波@×ÜĸK
2π
ダブルスロットĹě!wåķŁŃġĮŅĤŇßi
(一般には 4 - 8 G←図10 光線解析ソフトZEMAXによ! では共振器の長さは読み出しに使用するマイクロ波
図 2.2: (左)MKID (右)MKIDの等価回路 (Barends, 2009)ω0 = MKID
(2.9)
受信機
カメラ
アンテナ
( Ishii+
2008, Seta+
2012)
DetectorŴĵ3ĺŅńÐ
P
220 GHzの大気透過率測定で、条件の悪い夏でもALMAサイトの最良期（冬）とĴĹě1THzŇÐģńï:ĿÇĥ.»ĴĠńĜ
4l (Lg + Lk )C長になっており、片側
short
,
もう片側が
open
になっていることから長さにる像面スポットダイアグラム評価#A large nested
baffle·ÈœŠśZEMAXķŁ
(left of Fig. 7.20) mounted on
4K
consistsofconicalbaffleandChapter 7. Development切替鏡
of a Wide-Field Camera System for Millimet
ýüöĒ
←510

クロ波で共振を起こす。この時、共振周波数
ω
は
134
Obse
最初に述べたように
MKIDとはマイクロ波帯で動作する超伝導共振器であり、等価回路で表される。ここで、lは共振器の長さ、L,C
は超伝導配線が持つインダクタンス、キャ
同等で、安定性は優れている結果を得た（図４）。計算機を用いたシュミレーション0ġńĜĄāüöĉĊēWÿ(³Dĸg¾{ųŴĵ
54→
220
GHz
ńíŒŤŗśŕŊňōŬŦË 
から分かるようにキャパシタンスとインダクタンスが並列接続された構造を持つ。また、パシタンスである。MKID に Egap ＜ hν のエネルギーを持つフォトンが入射しクーパー対
ųMi
"
では、1
THzを超える領域も観測が可能である。
@×ÜĸK
2πłŒŔŲśĭńĥěĀüüöĉĊēĤł
ダブルスロット
four reflective plates (Sekiguchi, 2014). The shape of reflective plates
surface,ŪťůŲŐūű
MKID is spherical
!
-5

-30
-10

quasiparticles

-20

E

ћ"#$!

asiparticles

-10

0

5

!"0/"0

-10

0



N(E)

5

ћ"#$!

-20



Cooper pairs

10 ("-"0)/"0

Cooper pairs

10 ("-"0)/"0

-30
-10

5

-5

5

0

1.2.3 Catching cold photons with supercondu
onators

0

-20

-30
-10

-10

new approach to 1.2.3
the detection
Catchingof photonscold
is by using
photonssuperconductwith superconducting ress [16]. The steady stream ofincoming photons (with photon energy
onators) breaks up Cooper pairs into unpaired excitations, changing their
A promising
new approachof photons is by using superconductnsities, a⇥ecting thehigh frequency
response toof the detection
superconductor.
ing resonators [16]. The steady stream of incoming photons (with photon energy
larger than 2 ) breaks 0up Cooper pairs into unpaired excitations, changing theirrespective densities, a⇥ecting the high frequency response of the superconductor.

!

N(E)

透過率

s

N(E)

0

-10

-20

-5

0

!"0/"0!"0/"0

ћ"#$!

-20

-10

quasiparticles

ブミリ波のフォトンを効率よく吸収するような構造になっている。
ĴĹàīĤĪŅĳġĶ
また、図2.4 に示すように
short
端では電流が最大、電圧が最小であり、
open
端では電
)
dB
Figure 7.21: A photograph of 608-pixel MKID camera
withsiliconlens array.
n (AR-coatedfour reflective plates (Sekiguchi, 2014). The shape of reflective plates is sphericalĿÌðĴĠńĜÉĴĹěĀüüöĉĊēùö
reflective plates act as reflector and absorber, respectively.
sio
is
m
s
n
511 MKIDĵYíň
ar
1 K Si Lenst
512ŢŰśŔŊŢĸ2204
K
Si
Lens
ìXķÞħĸôÎr©
受信機/
受信機/ M2M32m
圧が最大、電流が最小となっている。力学インダクタンスの変化に対する感度、つまり超伝導カメラand its curvatureradius is 80 mm. The length and diameter of the nested bġĜĴĹÅģĮěŏšťŭ(dia. = 110mm)(dia. = 400 mm) ユニット
電波カメラで検出したサブミリűřŝĄāüöĉĊēùöýÿüüöĉĊēĸŶŞűŜĴ0É±
GHzW600³DŋŧŬĜ
ユニット
ųz>5ŴĸäĹě.ÆÎ>:carbon based black coa
MKID の感度は short
端で最大となるため
short
端でフォトンをたくさん吸収しクーパー
andapproximately 1 mm-size silicon-carbide-grains
act as scattering substance for the
8.3 Designof 850 GHz-bands
Camera approximately 120 mm and 155 mm, respectively.
145 The



7.4
Evaluations
of
MKID
Array
ĴÓħäĥE7ĭńĩĵĥ
レンズアレイ
ホーンアレイapplied to the back
1Hside of the reflective
1V plates.
鏡 the front side and bac
frequency range
millimeter-waveMKID
to terahertz.
 Therefore,
波銀河の赤方偏移決定や分対を破壊したい。そのため図2.5fromに示すようにでは short 端にアンテナを付けてサýĂüüü³DĸŋŧŬĵĶńĜ
圧縮機室
ĴĹàīĤĪŅĳġĶ
（0.4
&
0.85
THz)
（1.3 THz)
18
telescope
非常に遠くの高赤方偏移
reflective
platesact
asreflector
andabsorber,respectively.
¤łŅĳġńĜŏšťŭĴÓA photograph of 608-pixel MKID camera with AR-coated silicon lens array is shown in
A large nested baffle (left of Fig. 7.20) mounted on 4 K consists of conical baffle andブミリ波のフォトンを効率よく吸収するような構造になっている。
1H
3V
Hgrid 通過 超伝導
focus@F/6
子ガスの定量化のため、ヘテホーンアレイ
冷却受 3V（1.3 THz) 

0!"0/"0E

0tching cold atphotons
superconducting
respresent notwith
high enoughfor space-based background-limited
detection.
ators

A promising new approach to the detection of photons is by using superconducting resonators [16]. The steady stream of incoming photons (with photon energy
larger than 2 ) breaks up Cooper pairs into unpaired excitations, changing theirrespective densities, a⇥ecting the high frequency response of the superconductor.

18

ducting retelescopefocus@F/6

レンズアレイ（0.4 & 0.85 THz)

 145

5

0

- 10

- 30
- 10

- 20

8.3
Designof
850
GHz-bands
Camera7.4
Evaluations
of
MKID
Array
何を観測するのかー遠方銀河探査

ヘテロダイン受信機-5

10 ("-"0)/"0

A front
large side
nestedapplied to the back side of the reflective plates. Therefore, theandbaffleback (leftside ofof Fig. 7.20) mounted on 4 K consists of conical b

5" "0 "0quasiparticles crossing a very thin insulating oxide barrier [15]. If
thin enough, quantum mechanics allows electrons to tunnel, i.e. tothe barrier from one electrode to the other. A drawback is that
can also cross the barrier, this Josephson current needs to be tune
magnetic field. Simultaneously suppressing the Josephson current ijunctions is di⌅cult as the magnetic field needed may vary among j
to variations in the barrier area or properties. This makes tunnel jfavorable to place in large arrays.
So far, the readout of many pixels has proven to be a formidabl
the development of large arrays as individual pixels require their oand cabling, resulting in complex readout schemes as well as the tr
through the cabling. Most importantly however, the sensitivity of l
1.2.3 Catching cold photons with superconducting resonators
at present not high enough for space-based
background-limited
det
0

!" "0

0

5



 

55-5

ġĜĴĹÅģĮěŏšťŭ
Fig. 7.21. The whole size of a module is approximately 60 mm. The center black partfour reflective plates (Sekiguchi, 2014).
The shape of reflective plates is spherical surface,（z>5）の銀河は、可視赤外域
ħäĹě
¡Ķt]gŇ
1
K
Si
Lens
4
K
Si
Lens
1H8.3
2VGHz-bands
Vgrid 鏡A
photographofcamerawith
AR-coatedsilicon
lens
array
is
shown
in
分光計
Designof 850
Cameracorrespond to
the AR-coated silicon lens array. The coolingtimefrom 300
K to
100MKIDmK
and its curvature radius
is 608-pixel
80 mm.
The length MKID
and diameter ofthe nested baffle
are7.4
EvaluationsofArrayĴÓħäĥE7ĭńĩĵĥ
信機
ロダイン受信機を搭載。分光レンズ(dia. = 400 mm) (dia. = 110 mm)
3H
では一部しか検出されていなÏĩīĶĥłŕŒśķÄņŅ
of optical measurement setup is approximately 60 hours as shown in 1V
Fig. 7.22. The 2H
approximately 120 mm and 155 mm, respectively. The carbon based black coating was
Vgrid 鏡 （0.4 &18
telescope¤łŅĳġńĜŏšťŭĴÓA photographof 608-pixel
計は、銀河系内の観測も考慮
system includes a 608-pixel MKID camera, cryogenic wiring,coaxial cabling,baffles,MKID
two camera with AR-coated silicon lens array is s
applied to the back side of the reflective plates. Therefore, the front side and back side ofい。光では見えず、サブミリ波
focus@F/6ıäĵÈâĪŅĳġńĜë
Fig. reflective
7.21.platesThe
whole
size
of
a
moduleisapproximately
60
mm.
The
center
black
part
1V
3H is approximately
Vgrid 60通過
IF系
Fig. 7.21. The wholesize of a module
mm. The center bldielectriclensesandIR
blocking
filters.
As
shown
in
the
black
line
in
Fig.
7.22,
608-pixel
act as reflector andħäĹě
absorber, respectively.
¡Ķt]gŇ
し、0.2 km/s以下の速度分解MKID camera has been cooled to 1002Vで輝く銀河が存在することがcorrespond to theAR-coatedsiliconlensThe
coolingHgrid
time from 300 K Ki
to24
Chapter
2. array.
Millimeter/Submillimeter-WaveŋŧŬĴĸkAÇĴě?ħ
超伝導カメラ2H
通過mK when the camera observed the 300
K blackbody 3VÏĩīĶĥłŕŒśķÄņŅ
of optical measurement setup is approximately 60 hours as shown in Fig. 7.
load. The dilution
refrigerator constructed by Taiyo Nippon Sanso Co., which was used
知られている。サブミリ波で輝
8.3
Designof
850
GHz-bands
Camera145
制御
correspondtothe
AR-coatedsiliconlens
array.
The
cooling
time
from
300
K
to
100
mK
能（<250kHz@400GHz)で、速2V
3H
通過 Vgrid
7.4 Evaluations of MKID ArrayĸĞÞräğĸĥ{_
レンズアレイ
ホーンアレイsystem includes a 608-pixel MKID camera, cryogenic wiring, coaxial cabling, baf
this optical measurements, was 2H
well-cooled, easy handling and compact system.
ıäĵÈâĪŅĳġńĜë

PC（0.4 & 0.85 THz)
（1.3 THz)
M3
18
telescope
く銀河は、爆発的な星形成を
dielectriclenses 2H
and IR blocking2V
filters. As shown通過
in the black
鏡line in Fig. 7.22, 6
ĴĦńĜ
度幅は500 km/s以上を確保
A photograph of 608-pixel MKID camera with AR-coated silicon lens array is shown incamera@F/1
focus
2
Figure 8.8: A module design of 850-GHz
band
camera.
(Left)
Green
showedtheŋŧŬĴĸkAÇĴě?ħ
図2: camera
37 個のホーンが並んだホ
focus@F/6
MKID
camerahas beencooledto part
100 mK
whentheobserved the 300 K blof opticalmeasurement
setup 60ismm.approximately
60 hours as shownin Fig.
7.22.
The
Fig. 7.21. The
whole size of a module is approximately
The center black part
起こしながらダストに覆われ3H
silicon substrate, and the bottom space is used for the
carbon based 3V
absorber. (Right)通過 通過(>2.5GHz@1.5
Hz)する。夏load.
Thedilutionrefrigerator
constructedby theTaiyo Nippon Sanso Co., which w
The camera module with the 2977 pixel silicon lens array and the springs for fixing
1VĸĞÞräğĸĥ{_
correspond to the AR-coated siliconlens array. The cooling time from 300 K to 100 mK
M2
MKID
camera module and the lens array.
this optical measurements, was well-cooled, easy handlingand compact
systemAた銀河と解釈されている。電カメラ/
of optical measurement setup is approximately 60 hours as shown in Fig. 7.22. The
HDPE windowの間に、最大３台の冷却受信
それぞれのホーンは
2F λ ∼
ĴĦńĜ
1H
camera@F/1
focus
systemincludesa608-pixel
MKID
camera,cryogenic
wiring,coaxialcabling,baffles,two
coldbafflesystem includes a 608-pixel MKID camera, cryogenic wiring, coaxial cabling, baffles, two(dia. = 340 mm)
Figure 8.8: A module designof 850-GHz band camera. (Lef
ヘテロダイン
波カメラでの掃天観測で、多く
ビームサイズは約15 であり、
dB. These parameters were summarized in chapter 5, Fig.silicon
5.1. substrate, and the bottom space is used for the carbo機を搭載し、2台を同時運用。
dielectric lenses and IR blocking filters. As shown in the black line in Fig. 7.22, 608-pixel
グリッド
The camera module with度に観測できる。
the 2977切替鏡
pixel silicon 15
lens の分解能
array andの「遠方銀河」の検出が期待
24
Chapter2.
Millimeter/Submillimeter-Wave
Kinetic
Inductance
Detector
CameraThe
optimized
parametersoftheextension
thickness,thegapheightandthelensŜŲŦĻĬ;8ĴĸzÞåĸÊ¹Û}ĹÜáĴĠńĜ
camera module and the lensarray.100 GHz 帯のビームサ
MKID camera has been cooled to 100 mK when the camera observed the 300
K blackbody
衛星のdielectriclensesandIR
blocking
filters.
As
shown
in
the
black
line
in
Fig.
7.22,
608-pixel
電力は8kVA以下に抑える。
HDPE
window
Figure 2.6:
diameter were L/R = 0.34, H/R = 0.604 and D = 2.4λ (λ = 353 µm; the wavelengthof A concept of frequency mul
できる。
load. The dilution refrigerator constructed by Taiyo Nippon Sanso Co., which was used
le of a pair-breaking
detector
is a superconducting
tunneljunction,
natively,
readout
can be done in thefrequency
domain, but this requires couplings radiation by monitoringarisingfromphoto-excited
each sensortheto acurrent
resonator.
This
complicateslarge array development.
s crossing a very thin insulating oxide barrier [15]. If the barrier is
An example of a pair-breaking detector is a superconducting tunnel junction,
quantum mechanics allows electrons to tunnel, i.e. to move throughwhich detects radiation by monitoring the current arising from photo-excitedrom one electrode to the other. A drawback is that Cooper pairsquasiparticles crossing a very thin insulating oxide barrier [15]. If the barrier iss the barrier, this Josephson current needs to be tuned out using athin enough, quantum mechanics allows electrons to tunnel, i.e. to move throughd. Simultaneously suppressing the Josephson current in an array ofthe barrier from one electrode to the other. A drawback is that Cooper pairsi⌅cult as the magnetic field needed may vary among junctions, due
can also cross the barrier, this Josephson current needs to be tuned out using a
in the barrier area or properties. This makes tunnel junctions lessmagnetic field. Simultaneously suppressing the Josephson current in an array ofplace in large arrays.
junctions is di⌅cult as the magnetic field needed may vary among junctions, duee readout of many pixels has proven to be a formidable obstacle forto variations in the barrier area or properties. This makes tunnel junctions lessent of large arrays as individual pixels require their own amplifiers
favorable to place in large arrays.
resulting in complex readout schemes as well as the transfer of heat
So far,however,
the readoutof many pixels
has arrays
provenisto be a formidable obstacle forabling. Most importantly
the sensitivityof large
developmentof large arrays asdetection.
individual pixels require their own amplifiers
t high enough forthe
space-based
background-limited
and cabling, resulting in complex readout schemes as well as the transfer of heatthrough the cabling. Most importantly however, the sensitivity of large arrays is

超伝導カメラ5onith sup erc
photons w

reflective plates act as reflector and absorber, respectively.

-30
-10

applied to the back side of the reflective plates. Therefore, the front side and back side of

10 ("-"0)/"0!" /"approximately 120 mm and 155 mm, respectively. The carbon based black coating wassoldCatching csCooper pairsquasiparticle

ω0 =MKID では共振器の長さは読み出しに使用するマイクロ波 (一般には 4 - 8 GHz) の (1/4
波を破壊すると力学インダクタンスが変化することから、共振周波数はアンテナ 入射光子
Ishii+
2008,
Seta+
2012)
Det
4l (Lg + Lk )C
C

図4→
220
GHz
ĸ?¿ŋŧŬļĵæ
ŇÚľń
55→@×Üĸ
長になっており、片側 short , もう片側が openになっていることから長さに対応したマイ
Chapter 7. Development of a Wide-Field Camera System for Millimeter-Wave
2π
10m鏡の主観測装置。素子はMKIDで表される。ここで、l は共振器の長さ、Lg , (2.10)
C は超伝導配線が持つインダクýüöĒåĸÇÁ¹Ĝ³DĹčČċĈĎ
ġ
大気透過率の実測値
e
クロ波で共振を起こす。この時、共振周波数
ω0 は
ω0 − ∆ω0 = !
134
Observations
Lg+Lk
Ňôf\Ĵ'Īįńıľķ
100 um 
4l
(L
+
L
+
∆L
)C
パシタンスである。
MKID
に
E
g
k
k
gap ＜ hν のエネルギーを持つフォトンが入射( Ishii+ 2008, Seta+ 2012)（Microwave
Kinetic
InductanceųMicrowave
Kinetic
Inductance
łŒ
C

MKID


2π
ダブルスロットを破壊すると力学インダクタンスが変化することから、共振周波数は ŇaÃĵĭńĥ
となり、図 2.3 に示すように低周波側にシフトする。
ω0 = !
(2.9)
入射光子
C

1
Detector）を用いる。850
GHz帯3千素アンテナĸ?
DetectorŴĵ3ĺŅńÐ
P4Ň
55→
@×Üĸ
4l (Lg + Lk )C





また、図
2.4
に示すように
short
端では電流が最大、電圧が最小であり、
open
端では電
)
B
53 1998Zĸ6ěěòÙdFigure 7.21: A photograph of 608-pixel MKID camera
withlens array.
n (AR-coated siliconĿÌðĴĠńĜÉĴĹěĀ
pwv=0.60mm 
2π
issio
m
s
n
511
MKIDĵYíň
art
512ŢŰśŔŊŢĸ220e
ω0 − ∆ω0 = !
0.8
Lg+Lk
で表される。ここで、l は共振器の長さ、Lg , C は超伝導配線が持つインダクタンス、キャ子のカメラからスタートするが、400
GHz 100 um
Ňô
圧が最大、電流が最小となっている。力学インダクタンスの変化に対する感度、つまりġńĜĄāüöĉĊēWÿ(³DĸŋŧŬĤ
pwv=0.05mm
4l
(L
+
L
+
∆L
)C
g
k
k
űřŝ
ĄāüöĉĊēùöýÿüüöĉĊēĸŶŞűŜGHzW600³DŋŧŬĜ 
C
パシタンスである。MKIDにE＜hν
のエネルギーを持つフォトンが入射しクーパー対
MKID
の感度は
short
端で最大となるため
short
端でフォトンをたくさん吸収しクーパー
andapproximately 1 mm-size silicon-carbide-grains
act as scattering substance for
the
gap
0.6
図5→
大気透過率のから1.5Hzの多色カメラへと開発を進
図12多波長カメラの構 łŒŔŲśĭńĥěĀüüöĉĊēĤłýúÿöďĊē
MKID
となり、図
2.3
に示すように低周波側にシフトする。
 
図11
開発中220GHz
frequency range
frommillimeter-waveMKID
to terahertz.
を破壊すると力学インダクタンスが変化することから、共振周波数は対を破壊したい。そのため図2.5に示すようにでは short 端にアンテナを付けてサýĂüüü³DĸŋŧŬĵĶńĜ

0.4
予想値 C
入射光子


 A large nested
 baffle (left of
また、図2.4 に示すように
short
端では電流が最大、電圧が最小であり、想図複数モジュールを
53 1998Zĸ6ěěòÙdB)(AR-coated
7.21:of
Aconical
photograph608-pixel
MKID camera
withsiliconlenĿFig. 7.20) mounted
on 4 Figure
K consists
baffleofandめる。0.1K級の極低温冷凍機を必要と
iosĸ?¿ŋŧŬļĵæ ŇÚľńĜčČċĈ
ism
750素子MKIDS用のsn511MKIDĵYíň
a
ブミリ波のフォトンを効率よく吸収するような構造になっている。
tr 512ŢŰśŔŊŢĸ2202π 0.2
圧が最大、電流が最小となっている。力学インダクタンスの変化に対するfour reflective plates (Sekiguchi,2014). The shape of reflective plates is sphericalsurface,組み合わせ0.4〜1.5THz
1
K
Si
Lens
ω0 − ∆ω0 = !
(2.10)
4
K
Si
Lens
レンズアレイűřŝìXķÞħĸôÎr©
Ąāü
GHzW600³DŋŧŬĜ
するが、電力削減も課題である。
Ňôf\Ĵ'ĪįńıľķüúýöČ²ĸ
100 um
MKID
の感度は
short
端で最大となるため
short
端でフォトンをたくさん吸
andapproximately
1
mm-size
silicon-carbide-grainsact
asscattering
substancandits
curvatureradius
is
80
mm.
The
lengthanddiameterofthenestedbaffleare
4l (Lg + Lg+Lk
Lk + ∆L)Cの多波長同時観測を行う。
0 k(dia. = 400 mm) (dia. = 110 mm)
C
0.4
0.8
1.2
1.6
2
ųz>5ŴĸäĹě.ÆÎ>:frequency
range
from
millimeter-wave
to terahertz.
approximately 120 mm and155 mm, respectively. The carbon
based
black
coatingwas
図3 1998年の気圧、気温、風速
対を破壊したい。そのため図2.5に示すようにMKID
では short 端にアンテýĂü周波数ŇaÃĵĭńĥěë%#(THz)となり、図 2.3 に示すように低周波側にシフトする。

′′′′

natively, readout can be done in the frequency domain, but this requires couplingeach sensor to a resonator. This complicates large array development.
An example of a pair-breaking detector is a superconducting tunnel junction,
which detects radiation by monitoring the current arising from photo-excitedquasiparticles crossing a very thin insulating oxide barrier [15]. If the barrier isthin enough, quantum mechanics allows electrons to tunnel, i.e. to move throughthe barrier from one electrode to the other. A drawback is that Cooper pairs
can also cross the barrier, this Josephson current needs to be tuned out using amagnetic field. Simultaneously suppressing the Josephson current in an array ofjunctions is di⌅cult as the magnetic field needed may vary among junctions, due
to variations in the barrier area or properties. This makes tunnel junctions lessfavorable to place in large arrays.
So far, the readout of many pixels has proven to be a formidable obstacle forthe development of large arrays as individual pixels require their own amplifiers
and cabling, resulting in complex readout schemes as well as the transfer of heatthrough the cabling. Most importantly however, the sensitivity of large arrays is
at present not high enough for space-based background-limited detection.

的にさらに
cold
baffle 40 倍ほど細かく分
(dia.
=
340
mm)
図13
上方から見た受信機室：2m×3mの部屋内で圧縮機室
850 GHz), respectively. In this simulation, the detector spacing was equivalent to the lens
this optical measurements, was well-cooled, easy handling and compact system.
レースできる。
dB. These parametersweresummarizedin chapter 5, Fig. 5.1.
24
Chapter2.
Millimeter/Submillimeter-Wave
Kinetic
Inductanc
400GHz〜1.5
Hzの複数バンドŸxų-80Ŵ
diameter. Figure 8.7 shows the simulated beam patterns of integrated
siliconlens arrayを分離。３個の冷却受信機ポート設置。1台の受信機に２バンド
withoptimized
HEMT
technology.
camera@F/1
focus
MKID cameraFigure
has8.8: beencooled
to
100
mK
when
the
cameraobserved
the300
KblackbodyThe
parametersof the extension thickness, thŜŲŦĻĬ;8ĴĸzÞåĸÊ¹Û}ĹÜáĴĠńĜ
A module
design of 850-GHz band camera. (Left) Green part showed図
the2: 37 個のホーンが並んだホーンアレイ。図3: 導波管の先に取り付けられるスロットアンテナと超申請者の担当部分
at(Left)
810
GHz,(Middle)
850
GHz,
and
(Right)890
GHz.
Good-quality
beam
patternsで観測するが、500/800GHz
silicon substrate, and the bottom space is used for the carbon based absorber. (Right)
diameter
were L/R = 0.34, H/R = 0.604 and D = 2.4λ (λ = 3(HorV)のヘテロダインユニットを搭載。
伝送系のM1とM2のグêŸªêĹZpcmĵRĶġĥŕŊũŨűŜŕŒśĥ¼Ģ
伝導回路の模式図。
申請者は検出器の各構成部品
with symmetry mainlobe, low-sidelobe level less than − 15 dB and cross-polarization
The camera module with the 2977 pixel silicon lens array and the springs for fixing the
850 GHz),
respectively.
this simulation, the detector spacing
2.2.5
Noise 5InZ¢
MKID
Array
camera module and the lens array.
を行なう。本申請書で提案する
リッドと鏡の切替えで様々なヘテロダインユニットの選択が可能
Z¢
Z¢
Z¢
Z¢
1
2
3
4
6Z¢
level less than − 20 dB were achieved by optimizing the parameters of lens array.
load.
The dilution refrigerator
by Taiyo Nippon SansoI Co.,
which was used;¨ŸêíķÊ¹ĭńĥīěħŸx constructedų-80Ŵ
受信機から観測開始。
HDPE
window

南極の過酷な環境

diameter. Figure 8.7 shows the simulated beam patterns of inw
それぞれのホーンは 2F λ ∼ 15.7 mm 程度 1 で並べる。野辺山 45 m 鏡に搭載した場合、100 GHz 帯のまとめた。
cold baffle
The 810
theoreticalnoise 850
limitGHz,of MKIDs
is dominatedbyat (Left)
GHz, (Middle)and (Right)
890 GHz. Go
ビームサイズは約 15′′ であり、ここで計画しているホーンアレイと検出器によって視野 ∼ 3′ の領域を一
真空容器
dB. These parameters were summarized in chapter 5, Fig. 5.1.
8.3.2 Cameraandthe subsequent
recombination,
generation
withparticles
symmetry
mainlobe,
low-sidelobe
level less than
− 15
度に観測できる。15′′ の分解能があれば、1 kpc 先の分子雲を < 0.01 pc スケールで分解できる。
Planck Mount
真空容器はMKID 部分が∼2
$The optimized parameters of the extension thickness, the gap height and the lens
levelrecombination
less than − 20 noisedB wereachieved
by Equivalent
optimizing theparamlimited
Noise
Power
(N
衛星の 100 GHz 帯のビームサイズは約 10′ 程度であるから、Planck 衛星によって得られたマップを空間やす必要があるが、真空容器の!

Figure
2.6:
A
conceptoffrequency
multiplexingof
MKIDs.
Figure
8.8
shows
a
CAD
drawingofa
850-GHz
band
cameramodule.
2977
pixel
MKIDs

diameter were L/R = 0.34, H/R = 0.604 and D = 2.4λ (λ = 353 µm; the wavelength of
的にさらに 40 倍ほど細かく分解することができる。13 CO、C18 O も同時観測することで、密度分布もトetal., 2002).
T
立しているため、それにしたが

$

are
mountedonthecameramodulewithadiameterofapproximately
50mm. Thegreen
850 GHz), respectively. In this simulation, the detector spacing was equivalent to the lens
レースできる。
8.3.2 Camera Mount ることを考え、45 m!鏡の構造p(dia. = 340 mm)
ドームふじ基地での望遠鏡の設置運用条件は過酷である。
ë%ŸT ŀ ÇųêěÎ>Aq¬ŴĵyêŸªêĹZpcmĵRĶġĥŕŊũŨűŜŕŒśĥ¼Ģ
this optical measurements,
was well-cooled, easy handling and compact system.
1Z¢ 2Z¢ 3Z¢ 4ÔÖŸİŃÔÖ;¨ŸêíķÊ¹ĭńĥīěħ
開発計画 zÞå
低温：最低気温（-80℃）
56 ŜŲŦCŎűŎŮ
ë%ŸT ŀ ÇųêěÎ>Aq¬ŴĵyŚŉň;8ļĸŮŲś
雪：積雪は年数cmと少ないがダイヤモンドダストが舞うand gray parts correspond to the silicon substrate and silicon lens array, respectively.
diameter. Figure 8.7 shows the simulated beam patterns of integrated
siliconlens array
with
HEMT
technology.
2∆
 N (T ) r[
光学素子ÔÖŸİŃÔÖ
表
2:
検出器の構成部品
N
EP
(T
)
=
Figure8.8:
A
moduledesignof
850-GHz
band
camera.
(Left)
Green
part
showedtheGold-plated
copper37
modulewith two SMA connectors
forFigurereadout
the microwave
sig-7年目
申請者の担当部分
図2:個のホーンが並んだホーンアレイ。
1年目
2年目
3年目
4年目
5年目
6年目
at (Left) 810 GHz, (Middle) 850 GHz, and (Right) 890 GHz. Good-quality beam patterns

8.8ofshowsa CADdrawingof a 850-GHzηbandτ camera(T ) mzÞå
56 ŜŲŦCŎűŎŮ
基礎：雪面に設置するが沈下し、傾くホーンを並べる間隔の関係か
構成要素
備考
e
申請者は検出器の各構成部品の設計、製作、性能評価
nals was used. As shown in Fig. 8.8, the camera modulearehashexagonal
shape.
In thismountedon thecameramodule with a diameter of approx
with symmetry mainlobe, low-sidelobe level less than − 15 dB and cross-polarization  where∆ is the superconducting
その光学設計を行なう。また、energy gap, η is conve
真空容器
Śŉň;8ļĸŮŲś
,
siliconsubstrate,andthebottom
space
is
used
for
the
carbonbased
absorber.
(Right)2.2.5
Noiseを行なう。本申請書で提案する検出器の構成部品を表
2
に
Z¢
Z¢
Z¢
Z¢
Z¢
Z¢
Z¢
1
2
3
4
5
6
7
case,
severalmodulescanbeassembled
intoalarger
array
which
fits
the
circularfocal
and gray parts correspondto the silicon substrate and silico
電力：居住や他観測（雪氷、赤外天文等）と共有
level less than − 20 dB were achieved by optimizing the parameters of lens array.
バッフルなどを設置する必要が光学素子
真空窓からホーンまで
energy into quasi-particles
and typically 〜 0.6 (Kozor
まとめた。
plane (Lee et al., 2008).
Gold-plated
coppermodulewith
two SMA connectors for read
試験
The
theoretical
noise
limit
of
MKIDs
is
dominatedbytherandomgenerationofquasi視野)の光学系に対してどのよ
国内
調整
南極組立
The
cameramodule
with
the
2977
pixel
silicon
lens
array
and
the
springsforfixingtheホーンアレイ
輸送：そり輸送
particle 輸送
number of thermal excitations, τ is quasi-part
真空容器
forused.
the 10-m
Antarctica
nals wasAs shown
in Fig. 8.8, the camera module has
製作 Figure 8.9 shows a CAD drawing of a 850-GHz band camera
設計

camera@F/1 focus

Camera Mount

Chapter 1. An eye for the sky

zÞå
HDPE window

out can be done in
6 the frequency domain, but this requires coupling Chapter 1. An eye for the sky
o a resonator. This complicates large array development.

ŦCŎűŎŮ
8ļĸŮŲś

望遠鏡
図6
ドームCコンコル
particles
and the subsequent recombination, generation-recombinationnoise. The generation-超伝導回路
真空容器は MKID 部分が ∼100 mK のオーダーまで冷$cameramoduleandthelensarray.

読出回路
recombination
noise
limited Noise EquivalentPower (NEP)
is described as follow (Sergeev
ディア基地へのルート
やす必要があるが、真空容器の設計方法自体はすでに確!
Figure8.8 shows a CAD drawing of a 850-GHz band camera module. 2977 pixel MKIDs

8.3.2

gr

filter + MKID
仮組
申請書に書かない？

,
試験

MKID Arrayqp

qp

も詳細な検討を行う予定である



is
the
bath
temperatureof the MKIDs.
As will be notw
評価case, several modules canホーンアレイ
be 調整試験
assembled into a larger array wethe(Leequasi-particles
and the extension of the qplane
et al., 2008). density
最近になって広帯域のコルゲ

それぞれのホーンは 2F λ ∼ 15.7 mm 程度
製作
÷ŻøêÑŵİŃ
受信機
coldbaffle5ă÷Đø(dia. = 340mm)′′
ųżŴQ9¯MÍĹQ9UĤłŜŲŦćļĸÔ
ビームサイズは約 15 であり、ここで計画し¦½,óÀĴ£mÛnĿ.»dB. Öĸ;|ųÝýþsçŴĜ
These
parametersweresummarizedin chapter 5, Fig. 5.1.
÷ŻøêÑŵİŃ
5ă÷Đø
′′
ųżŴQ9¯MÍĹQ9度に観測できる。15 の分解能があれば、1UĤłŜŲŦćļĸÔ
¦½óÀĴ£mÛnĿ.»The optimized parametersÖĸ;|ųÝýþsçŴĜ
of the extension thickness,the gap height and the lens
′
衛星の
100
GHz
帯のビームサイズは約
10程(ｂ)雪上車＋そり
図7(a)Figure
2.6:
A
conceptoffrequency
multiplexingofMK
diameter were （ｃ）小型精密物資は小型
L/R = 0.34, H/R = 0.604 and D = 2.4λ (λ = 353 µm; the wavelength of
沿岸からドームCへの輸
砕氷船
的にさらに
40
倍ほど細かく分解することが飛行機で直接運搬も可能
送の基本（片道12日間）。
ÍĹQ9
850
GHz),
respectively.
In
thissimulation,
thedetector
spacingwasequivalent
to
the
lens
ÛnĿ.»
レースできる。
$

et al., 2002).

立しているため、それにしたがって丁寧に設計と熱計算を行なう。制約としては野辺山
45 m 鏡に搭載す$are mounted on the camera module with a diameter of approximately 50mm. The green

ることを考え、45 m!鏡の構造体と干渉しないことが挙げられる。
√
2∆ Nqp (T )光学素子
概念設計 基本設計 詳細設計
[W/ Hz],(2.11)
Gold-plated copper module with two SMA connectors for readout of the microwave sig-N EPgr (T ) = ητqp (T )ホーンを並べる間隔の関係から、
45 m 鏡の焦点距離を F/3 程度に変換するためのレンズが必要であり、
nals was used. As shown in Fig. 8.8, the camera module has hexagonal shape. In this  where∆ is the superconducting
その光学設計を行なう。また、真空窓からの赤外線放射の侵入を防ぐために、赤外線カットフィルターやenergy gap, η is conversion efficiency of incident photon
case, several modules can be assembled into a larger array which fits the circular focal
バッフルなどを設置する必要がある。従来は(広energy into quasi-particles
and typically 〜 0.6 (Kozorezov et al., 2000),1N視野のみの検出器であることが多かったため、多素子
qp is the quasiplane (Lee et al., 2008).
視野) の光学系に対してどのように最適化すればよいのかは十分に議論されてはいない。この点について
particle number of thermal excitations, τ is quasi-particle recombination lifetime, and T
Figure 8.9 shows a CAD drawing of a 850-GHz band camera for the 10-m Antarctica
も詳細な検討を行う予定である。
is the bath temperature of the MKIDs. As will be noted from Eq. 2.11, the reduction of
ホーンアレイthe quasi-particles density and the extension of the quasi-particle lifetime lead a good
最近になって広帯域のコルゲートホーンを作ることができるようになってきた。2015 年度中に 4 ビー
sensitivity of a MKID.
ムのホーンアレイが作られる予定であり、図 2 のような 37 ビームのホーンアレイは 2015 年度中にもでき
The quasi-particle
number of thermal excitations (Nqp ) is given by:
る可能性がある。申請者はホーンアレイの開発には他の要素と比べると担当する作業は少ない。
超伝導回路
申請者は主に超伝導回路の設計、製作に注力する。図
3 に超伝導回路の模式図を示す。37 個のホーンとNqp = nqp V,(2.12)
導波管の先に図 3 のような回路がそれぞれ取り付けられる。37 個分の回路を 1 枚のシリコン基板上に作成

6

and gray parts correspond to the silicon substrate and silicon lens array, respectively.

psensitivityof a MKID.
Figure8.9 showsa CADdrawing of a 850-GHz band cameムのホーンアレイが作られる予i
The quasi-particle
number of thermal excitations (Nる可能性がある。申請者はホー
t

超伝導回路
s
申請者は主に超伝導回路の設
Nqp = nqp V,
導波管の先に図 3 のような回路
where nqp is the densityof quasiparticles and V is thする。本申請書で提案する超伝しまう。図3 にあるようなブリ
equilibrium state, thetemperaturedependence of the
間隔で並んでいるそれぞれのホby (Bardeen et al., 1957):
1w
Airy disk の第 1 暗環の直径と同eb              

Chapter 1. An eye for the sky