サブミリ波帯多色観測による銀河団プラズマダイナミクスの解明

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本年度では、サブミリ波帯多色カメラの超伝導回路上に集積化するオンチップバンドパスフィルターおよび超伝導光子検出器であるマイクロ波力学インダクタンス検出器(MKID)を設計した。当初、オンチップフィルターとMKIDの両者ともに製造が比較的容易なコプレーナ線路を基本構造に定めて構成した。オンチップフィルターから後段の1/4波長共振器型ハイブリッドMKIDへと光子を高効率に伝送させるべく、バンドパスフィルター回路の終端素子を変更し、フィルター-MKID間の接続を中間構造なしに成立させた新設計を考案した。そしてコプレーナ線路の放射損失が抑制されるような超伝導体NbTiN薄膜の高いシートインダクタンスLs=1pH/sqを仮定してフィルターの構造を決定できた。放射を考慮した電磁界シミュレーションの結果、概ね期待通りのバンドパス特性が得られた一方、フィルターの構造に由来する放射損失がバンド内で数十%程度発生することが判明した。そこで代わりに放射損失の少ないマイクロストリップ線路を基本構造としたフィルターも設計し、最終的にコプレーナ線路もしくはマイクロストリップ線路の2通りの構造それぞれでミリ波帯3バンド(150/220/270GHz)に対する設計最適解を得た。更に設計と並行して、超伝導回路の試作および極低温試験を実施した。最小2μm程度までの微細加工により回路パターンが作れること、また回路の図面と製作品との間に差異が生じうることについての調査を積み重ねた。その上で、試験的にオンチップフィルターと半波長共振器を直結させたニオブ製の超伝導回路を作製し、極低温下に置いた各素子から共振信号が読み出せることを確認した。