Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Прогресс в разработке высокочувствительной аппаратуры миллиметрового диапазона длин волн и связанные с ним успехи миллиметровой радиоастрономии и атмосферной спектроскопии определяются применением новых входных элементов приемников, как правило, охлаждаемых- до криогенных температур. Решение актуальных радиоастрономических и атмосферных задач требует непрерывного совершенствования высокочувствительной приемной аппаратуры мм диапазона длин волн.
Создание такой аппаратуры с использованием последних достижений полупроводниковой технологии, криоэлектронной техники, невозможно без детального комплексного радио- и тепло-физического анализа и расчета ее параметров.
Прежде всего необходимо теоретическое обоснование выбора структуры криорадиометров и их элементов, их оптимизация в зависимости от решаемой задачи, а также теоретическое и экспериментальное исследование их характеристик.
Насколько можно судить по публикация!.!, в разработках криорадиометров пока нет определившегося комплексного подхода, то есть свойства отдельных элементов не подбираются с учетом их функционирования в составе есзй системы. Не изучены многие вопросы метрологии криорадиометров, согласования элементов приемников, выбора охлаждения, применения конструкционных материалов и элементов приемников в условиях криогенных температур.
Цель исследования. На основе системного подхода разработать физические модели элементов криогенных приемных устройств и метрологическую базу для их исследования. Провести
оптимизацию структурної! схемы криораоиометрз л создать ькоокоЦусстЕительнун охлаждаемую приемную аппаратуру для космической її атмосферне" спектроскопии в миллиметровом диапазоне длин волн.
Задачи исследования. )'. Определить пршшжшзлькые и технические ограничения чувствительности и оптимальную, с точки зрения ее повышения, структурную схему криорадиометра коротковолновой части мм диапазона длин волн.
-
Провести теоретический анализ шумовых и теплофизических характеристик криорадиометров и их элементов в диапазоне рабочих температур 20- 300 К.
-
Обосновать схемные решения криорадиометров, их элементов, и определить состав необходимых устройств для измерений их характеристик.
-
Исследовать шумовые характеристики разработанной аппаратуры в лабораторных и натурных экспериментах.
Научная новизна результатов исследования.
Установлены принципиальные и технические ограничения чувствительности радиометров в коротковолновой части мм диапазона применительно к наземным условиям наблюдений.
Теоретически и экспериментально изучены шумовые характеристики малошумящей охлаждаемой приемной аппаратуры коротковолновой части мм диапазона длин волн и ее компонент в диапазоне (температур 20 -300 К.
В совместной работе с Хельсинкским Технологическим Университетом (Финляндия) реализована чувствительность схлаадазмого радиометра с ДБ!!! на урезн- лучших зарубежных
образцов.
Выведены формулы, разработаны алгоритми и программы, произведены расчеты:
предельно достиотмого флуктуациояногс порога чувствительности идеального радиометра и степени елияния на нее квантовой эффективности преобразователя, потерь подводящего фидера и соотношения интенсивности прпшялаемого сигнала с уровнем фоновых излучений;
основных характеристик охлаждаемых ЛЕШ. определяющих их шумоЕые свойства (последовательное сопротивление, коэффициент неидеальнссти и физическая температура) из статических йАХ диода,
- оптимальной, с точки зрения достижения наивысшей
чувствительности, согласующей цепи между выходом промежуточной
частоты преобразовательного диода и транзистором первого
каскада усилителя промежуточной частоты,
- эквивалентной шумовой температуры входа диссилатиыюй
линии с заданным законом изменения ее геометрического профиля,
находящейся под.воздействием перепада температур.
Впервые созданная в отечественной практик* высокочувствительная охлаждаемая приемная аппаратура коротковолновой части мм диапазона длин /волі, позволила провести обширный обзор радиоастрономических объектов в континууме и в спектральных лшшях различных молекул (НОМ, Е13СЛ1, HU0+, (JU, ?3С0 и т.п.) в ходе ііаолюд.лпій па радиотелескопе IV-гх Крымской Астрофизической Обсерватории, b ряде обследованных источников выявлены плотные .liip.'j, определены основные физические хараістеристіпсн многих пг них.
- Г) -
Впервые в отечественной практике совместно с ИРЭ РАН проведены радиоастрономические наблюдения с радиометром на СИС - преобразователе.
Практическая значимость.
Создана серия высокочувствительных радиометров с охлаждаемыми до криогенных температур входными элементами для радиоастрономических и атмосферных исследований. В радиоастрономии двух - трех кратное снижение шумовой температуры охлаждаемых приемников, по сравнению с неохлажденными .'аналогами, позволило существенно сократить время наблюдений, сделать р.озмошкм наблюдение более слабых объектов и линий, провести картирование протяженных объектов, выявить тонкую структуру ряда спектральных линий межзвездных молекул .
Разработанные методика и устройства для измерения шумовых параметров криоэлектронных приемников и их элементов позволили существенно повысить точность стандартных методов измерения этих параметров, с высокой степенью точности оценить характеристики разработанной аппаратуры.
Изобретение автора "Способ определения температуры ДБШ" A.0.1382132 позволяет существенно повысить точность определения физической температуры, что необходимо для точного-анализа шумов системы в целом, кроме того указанный способ позволяет провести быструю отбраковку диодных структур, непригодных к работе в условиях криогенных температур.
Спыт, методики и отдельные компоненты, разработанные в рамках данного исследования, были успешно применены при модернизации приемного комплекса для радиоастрономических
наблюдений на 13.8 -метровом радиотелескопе в Метсзхови Хельсинкского Университета и в. озонометрическом комплексе, изготавливаемом Хельсинским Технологическим Университетом (г. Отаниеми) для исследовательской станции Соданкила Финского Метеорологического Университета.
Результаты настоящей работы используются в ИПФ РАН при разработке и исследованиях криорадиометров . Апробация.
Основные результаты работы доложены на научных семинарах ШІФ (1930, 1983, 1985, 1987, 1989, 1990 ,1992 И 1993г.Г.), Хельсинкского Технологического Университета (1992г.), Горьковского (Нижегородского) политехнического института (1983. 1993 г.г.), на областной конференции НТО им. А.С.Попова (1985), на І, ІУ и У Всесоюзных школах-семинарах по распространению мм и субмм волн в атмосфере (Москва ,1983, Н.Новгород, 1991, Харьков, 1992), на 17 и 18 Всесоюзных конференциях по радиоастрономической аппаратуре (Ереван 1985 и 1989 г.г.), на 7 Всесоюзной конференции "Метрология в электронике" (1988, Москва),на заседаниях совета по радиоастрономии АН СССР (1983, 1985, 1988), на межотраслевом научно-техническом совещании в МВТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 1985, 1987), на Международной конференции по аппаратуре ММ и ИК волн в Пекине 1989г и на 4-см Советско-Финском симпозиуме по радиоастрономии в Ереване (1990). Публикации.
По теме диссертации автором сделано 27 публикаций. Получено I авторское свидетельство на изобретение. Структура и объем диссертации
- В -Материалы диссертации изложены на 135 страницах машинописного текста и состоят из введения, четырех глав, заключения , приложения и списка литературы. Диссертация содержит 28 рисунков, и 20 таблиц. Библиография включает III источников.
