光子計数技術を応用した新しい精密宇宙物理観測手法の開拓

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光子統計の概念を宇宙物理観測手法に導入することを目指して、高速の超伝導検出器を用いた高速のテラヘルツ光子計数システムを構築している。本年度は前年度に引き続き、主として極低温環境および極低温読み出し回路の開発を推進し、その成果を国際会議や国内学会にて発表した。本研究では、これまで開発を進めてきた超伝導SIS検出器を0.8 Kの極低温に冷却し、数pAの超低リークの光子検出器として動作させる。このために、パルスチューブ冷凍機とヘリウム4吸着冷凍器を組み合わせたクライオスタットの極低温環境を構築している。本年度は0.8 K冷却系を実装し、自動制御やリモート計測環境を活用した制御システムを構築した。これを用いて制御パラメータの最適化を進め、0.4 Wと比較的能力の小さいパルスチューブ冷凍機のとの組み合わせでも、吸着冷凍器による安定した0.8 K冷却を可能にした。続いて2台の吸着冷凍器を連携させることで、長時間の極低温冷却環境が実現できることを示した。このほか、光学実験にむけて、検出器素子の改良検討、光学系や読み出し回路の設計開発も推進している。光学系については、基本原理に即した物理計算に基づいてクライオスタット内外の全体構成を設計するとともに、それに基づいて光学素子の製作も進めている。これまでにクライオスタットの真空窓や赤外カットフィルターなどを製作し、反射防止コーティングも施した。超伝導検出器出力を低雑音広帯域増幅器へ接続するにはインピーダンス変換が必要となる。本研究ではこれを2段構成の電解効果トランジスタのソースフォロワ回路で実装、0.8 Kおよび4 Kの各ステージへ分割配置する構成とすることで、0.8 Kステージへの熱負荷を低減する設計とした。初段の電界効果トランジスタの特性が読出雑音と帯域を制限するが、今後の光学実験に用いることのできる性能を確認した。