Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Чувствительность модуляционного радиометра и форма управляющих напряжений 15
1.1. Анализ чувствительности модуляционной схемы радиометра 15
1.2. Выходные устройства радиометра с синхронным интегратором 16
1.3. Анализ методов увеличения чувствительности модуляционного радиометра 30
ГЛАВА 2. Шумовая температура антенны радиотелескопа РАТАН-600 37
2.1. Введение 37
2.2. Методика измерения облучения главного зеркала радиотелескопа 38
2.3. Описание генераторов 42
2.4. Результаты измерений 42
ГЛАВА 3. Малошумящее усилительное устройство 49
3.1. Характеристика способов охлаждения 49
3.2. Оптимизация длин входных волноводов 53
3.3. Шумовая температура криоблока 61
3.4. Расчет параметрических усилителей 62
3.5. Генераторы накачки ПУ 80
3.6. Методика настройки ПУ 82
3.7. Радиометр на основе криоэлектронного ПУ 88
ГЛАВА 4. Глубокий обзор радиоисточников 97
4.1. РАТАН-600 в режиме обзоров неба 97
4.2. Аппаратура и методика наблюдений 98
4.3. Методика обработки результатов 100
4.4. Точность определения потоков и координат 101
4.5. Список источников 107
4.6. Полнота обзора 118
4.7. Отождествление и спектры 120
Заключение 135
- Анализ методов увеличения чувствительности модуляционного радиометра
- Методика измерения облучения главного зеркала радиотелескопа
- Расчет параметрических усилителей
- Точность определения потоков и координат
Введение к работе
Представляемая работа посвящена изучению некоторых вопросов повышения чувствительности радиоастрономических приемников и реализации этой чувствительности в наблюдательных программах. Наблюдения предельно слабых объектов всегда интересовали радиоастрономов, а это непосредственно связано с повышением чувствительности радиотелескопов, так как другого способа зарегистрировать слабые сигналы не существует.
Экспериментальную базу работы составляет разработка охлаждаемых параметрических усилителей. Впервые в СССР разработаны и применены параметрические усилители, охлаждаемые до температуры 4,5 К микрокриогенной системой с замкнутым циклом охлаждения.
Разработаны и внедрены в эксплуатацию выходные устройства радиометров с синхронным интегратором.
На основе этих разработок создан радиометр на волну 3,9 см. Используя этот радиометр на РАТАН-600 проведен глубокий обзор участка неба, в котором зарегистрировано 210 радиоисточников, 125 из них зарегистрированы впервые.
Актуальность:
В последние годы вновь повышается интерес к обзорам радиоисточников. Это вызвано сдвигом наблюдений в сантиметровый диапазон и в область слабых потоков, что непосредственно связано с повышением чувствительности радиотелескопов. Получен ряд новых результатов, например, резкое уплощение зависимости "число источников - плотность потока" на слабых потоках и ее зависимость
от частоты, появление зависимости спектрального индекса от по - 5 тока. Единого мнения о природе этих явлений пока нет. Сделан ряд обзоров в сантиметровом диапазоне волн в различных обсерваториях. В Парксе на частоте 2700 МГц зарегистрировано несколько тысяч радиоисточников с потоком более 0.25 ян, в NR№ на частоте 5000 МГц отмечено около 1000 радиоисточников с потоком более 0.6 ян. В обзоре, проводимом ГАИШ на РАТАН-600, уже зарегистрировано около тысячи новых радиоисточников на частоте 3900 МГц с потоком более 0.1 ян.В глубоком обзоре(эксперимент "Холод", РАТАН-600) на частоте 3900 МГц новых радиоисточников с потоком свыше 0.2 ян зарегистрировано больше, чем полное число радиоисточников, обнаруженных в радиоастрономии на сантиметровых волнах с помощью всех радиотелескопов вместе взятых за все годы. Такой выдающийся результат стал возможен благодаря резкому повышению чувствительности радиотелескопа на этой волне.
Результаты этих работ (для понимания природы зарегистрированных объектов) продемонстрировали острую необходимость продвижения обзоров в более коротковолновую часть сантиметрового диапазона длин волн с понижением предельного измеряемого потока. Проведение обзора на частоте 7700 МГц с чувствительностью, близкой к достигнутой в эксперименте "Холод", приобретает особую важность. Способ реализации столь высокой чувствительности один - максимально возможное снижение шумовой температуры радиометра и радиотелескопа в целом.
Настоящая работа посвящена реализации подобной чувствительности в режиме проведения обзора на радиотелескопе РАТАН-600.
Анализ методов увеличения чувствительности модуляционного радиометра
Использование модуляторов и выходных устройств в модуляционных схемах радиометров с прямоугольной формой управляющих напряжений позволило снизить коэффициент оС в формуле чувствительности радиометра до 2 /І1. Дальнейшее уменьшение этого коэффициента возможно лишь при изменении соотношения времени наблюдения исследуемого и опорного сигналов при одинаковых дисперсиях шума.
Попытки реализовать такой режим наблюдений сделаны в работах [II, 15] . Основная идея метода - увеличение времени наблюдения исследуемого сигнала (рис.1-8). Для сохранения неизменной дисперсии шумов во время наблюдения опорного сигнала, усреднение его производится за то же время, что и исследуемого.
Это эквивалентно увеличению постоянной времени выходного фильтра НЧ для опорного сигнала. Такая методика дает эффект при увеличении постоянной времени в цепи обработки опорного сигнала приблизительно в 10 раз по сравнению с цепью обработки исследуемого сигнала [15]. Но в этом случае начинают сказываться флуктуации коэффициента усиления радиометра. Исследование спектров флуктуации коэффициента усиления конкретных радиометров приведено в работах [10, 12] , такие же исследования проводились и для определения конкретных возможностей использования радиометров радиотелескопа РАТАН-600 в различных режимах (рис. 1-9, рис. 1-Ю).
Радиометры построены по одной и той же схеме и состоят из двухкаскадного параметрического усилителя, двухкаскадного усилителя на туннельных диодах и ЛЕВ или транзисторного усилителя. Общее усиление около бОдб. (Радиометр диапазона 4 см имеет на входе двухкаскадный, охлаждаемый до 77ЕС, параметрический усилитель с усилением 20дб). Полоса принимаемых частот радиометров 10 % от центральной частоты . Все радиометры термостатированы на уровне + 35С. Точность поддержания температуры % 1С. Стабильность источников питания радиометров приблизительно одинаковая и составляет 0,01 %.
На вход радиометра присоединялась согласованная нагрузка при температуре TQ = 300К, измерения проводились модуляционным методом. Сигнал после квадратичного детектора модулировался по низкой частоте. Предварительно усиленные модулированные шумы радиометра и сигнал для удобства регистрации сигнала вблизи нуля, компенсировались опорным напряжением.
По записи сигнала, пропорциональной произведению (TQ + Тд/)@( и прокалиброванной в градусах входной температуры, с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (ШФ) строились нормализованные спектры фурье. Можно использовать радиометры и в компенсационном режиме, но в течение такого времени, за которое флуктуации коэффициента приемника меньше шумовых флуктуации, т.е.
Как следует из рис. 1-Ю, при временах наблюдения около 50 сек, стабильность радиометро . Следовательно, на этих временах их можно использовать в компенсационном режиме. Это значит, что при использовании разных постоянных времени в выходных устройствах, максимальная постоянная времени в цепи обработки опорного сигнала равна приблизительно 50 сек. Для реализации чувствительности близкой к чувствительности компенсационного радиометра необходимо не только регистрировать постоянную составляющую сигнала [12, 15], но и оперативно изменять скважность напряжения в системе в зависимости от состояния радиометра. С аналоговыми выходными устройствами это делать достаточно трудно. Более гибкую методику предложил Бромер. Основное отличие ее - разная цифровая обработка опорного и исследуемого сигналов, причем время накопления опорного сигнала можно менять в процессе обработки. Такая возможность появляется в том случае, если сигнал на выходе квадратичного детектора преобразуется в цифровую форму и вся дальнейшая обработка может быть проведена в ЭВМ.
Для этого необходимо использовать быстродействующие преобразователи аналог код и ЭВМ. В этом случае отдельно регистрируются и обрабатываются значения выходного напряжения радиометра во время наблюдения опорного и исследуемого сигналов соответственно. Затем из отсчета, соответствующего наблюдению исследуемого сигнала, вычитается среднее нескольких отсчетов, соответствующих наблюдению опорного сигнала. Меняя скважность модулирующего напряжения и количество осредненных отсчетов, соответствующих наблюдению опорного сигнала, можно получить теоретическую чувствительность такого радиометра как угодно близкую к чувствительности компенсационного радиометра. Так например, для управляющего напряжения на рис. 1-8, коэффициент оО будет равен \/ЇР при сложении двух отсчетов опорного сигнала и = 1,5 при сложении четырех отсчетов опорного сигнала.
Однако следует тлеть ввиду, что здесь рассматривается лишь теоретическая чувствительность радиометра. При осреднении опорного сигнала мы предполагаем, что коэффициент усиления радиометра за это время не изменится. Как показали исследования спектров флуктуации коэффициента усиления радиометров РАТАН-600 (рис. 1-Ю), максимальное время усреднения составляет 50 секунд. Если наблюдение продолжается более этого времени, то применение такой методики выигрыша в чувствительности не дает. Но обычные наблюдения на РАТАН-600 продолжаются несколько секунд.
Методика измерения облучения главного зеркала радиотелескопа
Шум, генерируемый в диоде НУ, прямо пропорционален физической температуре диода при условии, что коэффициент качества диода остается независящим от температуры. Игленно так обстоит дело с диодами из арсенида галлия типа ЗА4І0 вплоть до самых низких температур. Это обстоятельство служит базой в создании охлаждаемых ЇЇУ для усиления очень малых сигналов, с которыми приходится иметь дело в радиоастрономии. Охлаждаемая система значительно сложнее, дороже и менее надежна, чем неохлаждаемая, однако другого способа усилить столь слабые сигналы не существует. Охлаждение возможно осуществлять несколькими способами.
Термоэлектрическое охлаждение (осуществляемое бесшумно) не требует обслуживания, достаточно эффективно в области температур около 0С и используется, в основном, для регулирования температуры системы. Здесь температуру устройства удается снизить примерно на 20 %, однако возникают трудности связанные с конденсацией.
На первый взгляд, заманчиво использовать криогенные жидкости, в частности, жидкий азот (точка кипения 77К) имеет большую теплоемкость. Однако системы охлаждения на жидком азоте обычно плохо работают на практике [32] , а необходимость периодически восполнять потери азота доставляет пользователю значительные неудобства при эксплуатации. При попытках создать требующиеся для таких систем долговечные, прочные и обладающие малыми потерями криостаты, разработчики сталкиваются с огромными трудностями.
В случае, когда для охлаждения ЇЇУ используются небольшие высокоскоростные холодильники, выясняется, что они обладают хорошей производительностью (20 вт) при температурах ниже 80К, но их надежность низка, а уровень вибраций настолько велик, что работа с ними весьма затруднительна.
Наибольшее распространение получили холодильники с замкнутым циклом, представляющим собой варианты цикла Стирлинга с газообразным гелием в качестве хладоагента. Обычно это двухступенчатые машины, обеспечивающие хладопроизводительность I вт при температуре 16 18К. Они работают с низкой скоростью, так что износ и вибрации невелики.
В числе проблем, характерных для установок этого типа, большие размеры и вес компрессорной установки (КУ), низкая производительность и требование достаточно высокой квалификации персонала для организации удовлетворительного обслуживания. В установках с жидким гелием ЇЇУ могут работать при 4,2К. Возможно также использование холодильника с замкнутым циклом, состоящим из холодильника с циклом Джиффорда-Макмагона и дросселирующего вентиля Джоуля-Томсона. При работе ПУ при температуре 4,2К возникает серьезная проблема теплопритока из-за малой скрытой теплоты гелия или малой производительности МКС, так что за снижение уровня шумов усилителя приходится расплачиваться увеличением потерь во входной сигнальной линии. При проектировании криогенных МШУ следует обратить внимание на два аспекта: во-первых, теплоемкость охлаждаемой системы должна быть минимальной, чтобы сохранить хладоагент или сократить время охлаждения; во-вторых, приток тепла в систему должен быть достаточно мал и соответствовать производительности охлаждающей системы или интервалу времени между очередными "заливками" криостата. Чтобы удовлетворить это требование, можно использовать длинные входные линии из материала с низкой теплопроводностью (нержавеющая сталь, например), но такие материалы обладают низкой электропроводностью и, следовательно, имеют значительные электрические потери. Одновременно с этим нужно обеспечить хороший тепловой контакт между элементами ЇЇУ и хладоагентом или холодной платой холодильной установки. Фактически усилитель можно представить себе находящимся на движке теплового потенциометра, включенного между холодной точкой и комнатной температурой, при этом температура ЇЇУ определяется отношением обеих плеч потенциометра (без учета мощности накачки и излучения). Причем, нижнее плечо потенциометра должно давать почти нулевой перепад температур. На практике же существует заметное температурное различие между самой холодной точкой и рабочими частями ЇЇУ (в особенности диодом) из-за излучения, мощности, накачки, несовершенных контактов. Таблица 3-І дает некоторое представление о проблеме тепло-притока и содержит параметры для конкретного двухступенчатого холодильника 80К и 20К. Из таблицы 3-І следует, что при не слишком больших длинах волноводов увеличение шумовой температуры ЇЇУ несущественно для всех систем, кроме самых малошумящих.
Расчет параметрических усилителей
Обзоры неба - одно из фундаментальных направлений астрономии [49]. Каталоги радиоисточников, составленные при поисковых обзорах неба, являются основой для детальных исследований всеми доступными средствами. Наиболее желателен был бы обзор всего неба с предельной чувствительностью и предельным разрешением современных радиотелескопов. Ввиду отсутствия радиотелескопа для такого эксперимента, приходится ограничиваться специализированными обзорами: либо делать беглый обзор всего неба за приемлемое время с помощью параболоидов, либо предельно глубокий обзор очень малой области неба с помощью VLA . Ясно, что чем выше требуемая чувствительность обзора, тем труднее обозреть большую область неба.
РАТАН-600 в проблеме обзоров занимает промежуточное положение. В настоящее время на нем проводится исследование всего неба с высоким разрешением и чувствительностью большей, чем чувствительность обзоров сильных источников (программа ГАИШ).
Радиотелескоп VLA в течение 8 часов синтеза на волне наибольшей чувствительности строит карту области неба I xl со среднеквадратичным уровнем шума около 0,08 мян. На РАТАН-600 также возможны 8-ми часовые экспозиции и может быть достигнута та же чувствительность по потоку, однако, если ставить целью получение статистически значимого материала, мы приходим к другому режиму работы, когда ценою потери чувствительности за то же время может быть обследована значительно большая область неба и зарегистрировано большее число радиоисточников. РАТАЇЇ-600 при наблюдениях с плоскшл перископическим отражателем и южным сектором имеет диаграмму на волне 4 см l x25 и за 8 часов наблюдения обозревает площадь в І05 раз больше, чем \/LA . в таком режиме, с разработанным высокочувствительным радиометром РАТАН-600 будет иметь рекордную производительность - за сутки несколько сот радиоисточников.
Итак, есть два пути обнаружения новых источников: увеличение глубины обзора небольшой фиксированной области неба (увеличение экспозиции) и расширение самой области обзора. Легко понять, что в области крутого наклона кривой IQN- &} выгоднее первый путь, так как по мере увеличения глубины обзора число источников резко возрастает, а для предельно глубоких обзоров, где наклон малый, значительно эффективнее второй путь, он и был выбран для проведения глубокого обзора на волне 3,9 см.
Выбор области неба определялся условием минимальной температуры шумов антенны радиотелескопа (средние высоты) и возможностью наблюдать достаточно интересную область на небе, где длительное патрулирование может представлять самостоятельный интерес. Такой областью является область склонения S = 454 , где расположен источник S S 433 и где при наблюдении в меридиане шумы антенны минимальны. В мае - июне 1983 г.на частоте 7,7 Ггц проведен обзор полосы неба шириной 25 вокруг склонения объекта SS 433 с прямым восхождением от 12 до 23" [52]. Наблюдения проводились на южном секторе РАТАЇЇ-600 с плоским отражателем в меридиане при неподвижной антенне с опорным рупором, направленным в "холодную" область неба. Ширина диаграммы направленности антенны на уровне -3 дб составляла по прямому восхождению 3 /С0$& , по склонению 25 .
Разработанный радиометр прямого усиления с параметрическими усилителями охлаждаемыми до температуры 4,5К микрокриогенной системой [50] имел шумовую температуру 30. Шумовая температура антенны радиотелескопа на данной высоте составляет 43. Флуктуационная чувствительность системы радиотелескоп - радиометр при постоянной времени выходного устройства I сек составляла Т = 0,005К. Информация с выхода радиометра через блок низкой частоты [б] поступала на вход системы регистрации, выполненной в стандарте КАМАК. Запись информации на магнитную ленту и управление процессом наблюдения проводились с помощью ЭВМ "Электроника 100 И". После фильтрации чувствительность по потоку на масштабе диаграммы направленности антенны составляла на одной записи 0,025 ян. Калибровка усиления радиометра производилась по встроенному генератору шума в начале и в конце каждого часа наблюдений.
Проведено 12 сеансов наблюдений, однако из-за плохих погодных условий в это время года на РАТАН-600, не все записи имеют одинаковую продолжительность. Поэтому число исходных записей для каждого часа наблюдений различно. Обработка полученной информации выполнялась на разных комплексах: ИВК-2 ОАО АН СССР и ГАИШ. Путь двойного подхода к решению поставленной задачи объясняется следующим: во-первых, оптимальную фильтрацию [53] выгоднее проводить после устранения всех возможных видов шумов, что позволяет делать априорная информация об объекте, во-вторых, для обнаружения протяженных источников, отклик от которых сильно отличается от формы диаграммы радиотелескопа, метод [53] не является оптимальным. Поэтому задача приближения к чувствительности идеального радиометра по разному решается в зависимости от штересующих нас масштабов. Исследования на масштабах, сравнимых с диаграммой направленности радиотелескопа, связаны с дискретными источниками. Основными помехами обнаружению источников являются импульсные помехи, шум фоновых источников и, в некоторой степени, аномальный низкочастотный шум. Чтобы иметь возможность отождествить и устранить короткие импульсы, отсчеты в исходных записях снимались через 0,2 сек, то есть с трехкратной избыточностью. Устранение больших одиночных отскоков проводилось при просмотре часовых исходных записей. На дисплее задаются номера отсчетов слева и справа от импульсной помехи и ЭВМ заменяет отсчеты попавшие в "окно" полусуммой заданных отсчетов.
Точность определения потоков и координат
Из представленных результатов сделаны следующие выводы: 1. Параметры распределений спектральных индексов близки между собой на частотах 1400 МГц, 2700 МГц, 3900 МГц и 7700 МГц. Отличие параметров распределения на частоте 8700 МГц объясняется, по-видимому, плохой чувствительностью радиометра. 2. Удалось уточнить поведение кривой "число источников -плотность потока", которая и на волне 3,9 см уплощается при продвижении в область слабых потоков, вплоть до Р = 40 мян. Некоторое отклонение полученной кривой (вплоть до фактора 2 на потоках около 40 мян) от кривой пересчитанной с волны 7,6 см со спектральным индексом oLi =-0,75 может быть объяснено следующими факторами: 1) учет реальной формы диаграммы направленности радиотелескопа, проведенный по формуле Амирханяна [65], позволяет уменьшить расхождение между кривыми на 25 % на потоках около 40 мян; 2) наблюдения проводились в области средних широт Галактики, по которой дискутируется обнаружение добавочной популяции радиоисточников ; 3) и, наконец, при приближении к слабым источникам трудно определить реальность источника. Дальнейшие наблюдения помогут прояснить эту ситуацию. Для этого необходимо либо осреднить большее число записей, либо провести новый, более глубокий обзор. В результате многолетней работы коллектива сотрудников радиоастрономического приборостроения САО АН СССР стало возможным повысить технический уровень и чувствительность приемной аппаратуры радиотелескопа РАТАН-600, а это значит повысить его эффективность и информативность. Представленная работа является небольшой частью результатов, полученных на радиотелескопе за последние годы. Ее краткие результаты: 1. Проведен глубокий обзор радиоисточников на частоте 7700 МГц на склонении +5, обработаны результаты, получен каталог, содержащий 210 радиоисточников, из них 125 - новые. Построены спектры 75 радиоисточников. Для большинства из них наши измерения самые высокочастотные. Показано, что распределение спектральных индексов для источников с плотностью потока Р - 40 мян, не зависит от частоты вплоть до j- = 7700 МГц. Построена кривая "количество источников - плотность потока". 2. Проведено исследование характера облучения главного зеркала радиотелескопа, проведен анализ составляющих шумовой температуры антенны и возможностей их снижения. 3. Разработаны, изготовлены и применены в радиометре параметрические усилители, охлаждаемые до температуры 4,5 К. 4. Показана возможность и разработан способ охлаждения параметрических усилителей с помощью микрокриогенной системы с замкнутым циклом гелиевого уровня охлаждения. 5. Охлажден до температуры 4,5К, исследован и введен в эксплуатацию модулятор с магнитной памятью. 6. Разработан, исследован и введен в эксплуатацию радиометр с крио- МШУ на частоте 7700 МГц с шумовой температурой 17 - 20К. 7. Разработаны, исследованы и введены в эксплуатацию выходные устройства радиометров с синхронным интегратором. Личный вклад автора Под руководством автора и при его личном участии проведен обзор на РАТАН-600 на частоте 7700 МГц. Обработка результатов и их анализ выполнены лично автором. Разработка методики расчета и составление программ для ЭВМ выполнены автором совместно с А.А.Курбатовым. Разработка способа охлаждения и вопросы стыковки ПУ с МКС решены автором совместно с Е.Д.Барановым. Разработка, исследование и ввод в эксплуатацию криорадиомет-ра и всех его элементов осуществлены под руководством и при непосредственном участии автора. Разработки и исследования выходных устройств радиометров были начаты совместно с А.Б.Берлиным, а устройства на интегральных микросхемах выполнены под руководством автора. Исследования характера облучения главного зеркала, исследования спектров флюктуации были выполнены под руководством Д.В.Королькова.
