No.222
1999.9

第６回　遠赤外線で宇宙の映像を見る
　「圧縮型」半導体センサーの多素子化

東京大学教養学部　土井靖生　　

　遠赤外線--波長が数十〜数百ミクロン(可視光の数百倍の波長)の光--を測る検出器を手作りする話を紹介しよう。波長の異なった『眼』で見ると，宇宙は様々に異なった姿を見せてくれる。『遠赤外線の眼』に映るのは星間空間に漂う-200℃前後という極低温のチリやガス。これらの物質は星々や我々の体へと進化する基本物質である。遠赤外線は星々の誕生を探り，宇宙の進化の歴史を紐解くには，欠くことの出来ない波長である。

　遠赤外線の観測にはゲルマニウム(Ge)に極く微量のガリウム(Ga)を混ぜた半導体結晶(Ge:Ga素子)を用い，光が結晶に吸収されて生じる電気信号を取り出す。これで波長100ミクロン以下の光が検出できる。更に長い波長まで観測したい場合には，裏技として，この半導体結晶に強い圧力をかけて結晶構造を歪め，無理やり観測できる波長を伸ばすことができる。あまりスマートなやり方ではないが，今のところ波長200ミクロン以下の遠赤外線に対してこの『圧縮型Ge:Ga検出器』が，最も感度の良い検出器である。

　詳細な宇宙の映像を得るためには，検出器の素子数が多い方が良い。遠赤外線で宇宙を見るために『圧縮型Ge:Ga検出器』も多素子化したい。しかし，多素子化に伴って，検出器が無制限に大きくなってしまっては困る。遠赤外線は地球の大気をほとんど透過できず，観測は大気の外の宇宙空間で行なう必要がある。検出器一つが何kgにもなってしまったのでは，「スモール・イズ・ビューティフル」の伝統を誇る宇宙研の人工衛星に載せて頂くわけにはいくまい。「出来るだけ多くの検出素子を，出来るだけコンパクトに」，これが現在，我々の開発の課題である。

　『圧縮型Ge:Ga検出器』を多素子化するための最大の困難は，なんと言ってもGe:Ga素子を(壊さないように)圧縮する事にある。一つ一つの素子を別々に圧縮していたのでは，とてもコンパクトな検出器を作る事はできない。そこで，多数の素子を一列に積み上げ，これを一度に加圧する事にした。そうは言っても，簡単ではない。１mm角のGe:Ga素子一つにかかる力は最大70kgにもなる。１mm角の積み木を縦に積み上げて，その上に大人一人が飛び乗る....と言えば，その困難さ(無謀さ??)を分かって頂けるだろうか。幸いにも我々は，８つの素子を一列に積み上げ圧縮した検出器の開発に成功した。

　現在，気球望遠鏡にこの検出器を搭載し観測を行う準備を進めている。観測は，インドTATA研究所との同で行われる。11月に迫った観測へ向けて，準備は急ピッチである。これとは別に，更に発展した５列×15素子の75素子とした検出器を赤外線天文衛星計画ASTRO-Fに搭載する予定で開発を進めている。

(どい・やすお)