X線観測用誘電体マイクロカロリメータに向けた極低温動作下における 広帯域高利得な低雑音増幅器の研究 野地拓匡1),福田豪2) ,吉田賢史3) ,小林雄太3) ,菊池貴大4) ,関谷典夫4) ,山崎典子3) ,大橋隆哉1) , 川崎繁男3) 1)首都大学東京, 2東京理科大学, 3) JAXA, 4)東京大学 1. 研究背景 X線は宇宙における高温、高エネルギー現象をとらえるのに最も適した電磁波 である.例えば、銀河団からの高温ガスはX線ではっきりと観測される.宇宙X 線の観測は、宇宙の化学・力学的進化を知るための重要な手段の一つである. 図1に2015年打ち上げ予定のX線天文衛星ASTRO-Hを示す. X線光子1個のエネルギーを熱に変換し、微小な温度上昇として測定するマイ クロカロリメータが提案されている.極低温で好感度の温度計を用いることによ り高いエネルギーが達成される.誘電体マイクロカロリメータは高周波回路技 術を利用し、誘電体の誘電率の温度依存性を用いるものである.この方法は、 高いエネルギー分解能と多素子アレイの形成による大きな検出器面積が期待 される. 誘電体マイクロカロリメータで検出する信号は小さく、また、多素子アレイ化に よる共振周波数の多重化のため、極低温で動作する低広帯域高利得な雑音 増幅器が不可欠である.本稿では、誘電体マイクロカロリメータに向けた低雑 音増幅器の極低温での測定結果と放射線試験の結果を報告する. 図1 2015年打ち上げ予定X線天文衛星ASTRO-H 2. 低雑音増幅器 2.0mm 低雑音増幅器 ・3 stage GaAs pHEMT low noise amplifier (LNA) MMIC ・chip size:2.65 mm×2.0 mm ・module size: 38 mm×22 mm . ・Gain@10GHz: 32.7dB ・NF@10GHz: 2.1dB Gain [dB], NF [dB] 2.65mm FET1 FET2 FET3 MMIC LNA Chip 40 Gain NF 30 20 10 0 2 RF in Drain Bias (1.5V) Gate Bias (-1.5V) 4 6 8 10 12 14 Freqency [GHz] @10 GHz Gain [dB] Noise Temp. [K] NF [dB] RF absorber Package MMIC 300 K 32.7 180 2.1 GND 4. 環境試験 -5 20 -10 0 |S11| -15 2 4 6 8 10 12 14 Freqency [GHz] 31.0 80 Gain [dB] Noise Temperature [K] 31.5 120 40 100 33.0 32.0 160 30 2.0 1.5 20 1.0 NF Gain 0.0 0 2 4 6 8 10 Total Dose [Krad] 10 0 12 放射線試験設備 (日本原子力研究開発機構 ) (高崎量子応用研究所) 77Kでの周波数特性 @10 GHz Gain [dB] Noise Temp. [K] NF [dB] 300 K 30.5 222 2.4 103 K 32.6 63 0.86 30.5 150 200 250 Temperature [K] 2.5 5. まとめと今後の課題 32.5 200 40 0.5 @10 GHz 77 K Gain 33.8 dB 240 3.0 |S21| -20 -20 300-103KにおいてGainとNFの 向上を確認した. 10GHzにおいてGaAs LNAの耐放射線性を評 価する60Coを用いたTIDテストを行い、NFと Gainを測定した. Gain [dB] 検出器の共振周波数間隔を 1MHzとすると、6000素子の アレイ化に対応 40 NF [dB] |S11| [dB] 77Kにおいて7-13GHzで 30dB以上のGain 0 |S21| [dB] 3. 極低温での測定 Noise Temperature Gain 常温でのGainとNFの周波数特性 RF out LNA module MMIC LNA circuit structure block diagram 30.0 300 103K-300KでのGainとNFの温度特性 本稿では誘電体マイクロカロリメータに向けた低雑音増幅器 の検討をし、77KまでのGainとNFの測定値を得た.また、放 射線試験では60Coを用いたTIDテストを行い、GainとNFの安 定した動作を確認した.今後は、液体ヘリウムを用いて4Kで の測定を行う予定である. This document is provided by jAXA.
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