Введение к работе
Работа отражает результаты исследования возможностей сниже-иу шумовой температуры радиометров дециметрового диапазона, применяемых для астрофизических и астрометрических РСДБ-наблюдений.
В результате работы разработан, создан и исследован "предельный" по чувствительности радиометр диапазона 18-21 см, который будет использоваться как в астрофизических, так и астрометрических исследованиях в качестве штатного радиометра радиоинтерферометриче-ской сети "Квазар".
Актуальность темы
Эффективность радиоастрономических исследований зависит не только от размеров радиотелескопов, но в значительной степени и от качества используемых технических средств - качества антенн и приемной аппаратуры. Одной из важнейших,оценок качества системы радиотелескоп-радиометр является чувствительность (увеличение чувствительности вдвое эквивалентно уменьшению времени наблюдения вчетверо). Кроме того, наблюдения с более высокой чувствительностью позволяют не только повысить точность определения координат в интерферометрии, но и обнаруживать и исследовать новые классы объектов.
В диапазоне дециметровых и более коротких волн, вплоть до малых сантиметров, с уменьшением длины золны шумовая гемпература радиометра играет все большую роль в чувствительности радиотелескопа.
Поэтому задача исследования методов повышения чувствительности радиометров и совершенствования научно-методических пришшпоп их конструирования является актуальной. Минимальная шумовая температура системы радиотелескоп-ралномегр в диапазоне 21-18 см со
ставляет 15-18 К, дальнейшее ее снижение принципиально невозможно из-за на; ічия шумов Метагалактики и агмосферы Земли. Этими шумами (ГрШ<Ть) определяется предельная чувствительность радиометра. Создание криоэлекз ронного радиометра "предельной" чувствительности позволило бы не только сократить время наблюдения и значительно расширить список наблюдаемых объектов, но и повысить качество получаемой информации (т. е. улучшить отношение сигнал/шум, а это повышает точность измерения независимых отсчетов при восстановлении распределения яркости по объекту из полученного изображения).
Цель работы
Целями диссертационной работы являются:
развитие методов минимизации шумовой температуры криоэлек-тронных устройств;
исследование возможностей построения радиометров предельной чувствительности в дециметровом диапазоне длин волн;
разработка и конструирование радиометра предельной чувствительности для наблюдения линий нейтрального водорода и гидро-
;ила;
проведение всестороннего исследования разработанного радио
метра и выработка рекомендаций к его использованию в составе
радиоингерферометрического комплекса КВАЗАР.
Научная новизна работы
В процессе исследования методов снижения шумовой температуры радиометров получены следующие новые результаты: I. Разработан алгоритм минимизации шумовой температуры, который ІПНІЮЛПЧ реализовать "предельный" радиометр для исследования ли-
ний нейтрального водорода и гидроксила в широкой полосе частот (1380-1720 МГц).
-
Предложен метод охлаждения входных трактов и малошумящих усилителей (МШУ), позволяющий исключить "тепловые мосты". На его основе разработан и исследован криоблок оригинальной конструкции, единый для двух каналов МШУ и входных трактов.
-
Предложен способ построения и конструирования входного поляризационного тракта с использованием охлажденной системы крестообразных диполей с симметрирующими устройствами.
-
Разработан и исследован двухканальный "предельный" радиометр на волны 21 и 18 см с испол. зованием транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ транзисторов) в первых каскадах усиления, охлаждаемый микрокриогенной системой замкнутого цикла охлаждения нового поколения, позволяющей охладить два криостата от одной компрессорной установки.
Практическая ценность
Практические результаты работы, направленной на создание методической и алгоритмической базы повышения чувствительное радиоастрономической аппаратуры можно сформулировать в следующих положениях:
-
Разработан и исследован двухканальный радиометр на волны 21 и 18 см для РСДБ с использованием на входе криогенных транзисторных усилителей, позволяющий проводить исследование спектра радиоизлучения в полосе 340 МГц. Шумовая температура радиометра, приведенная ко входу (на фланце рупора) составляет не более 15 К.
-
Разработан, сконструирован и исследован криоблок для двух каналоп радиометра оригинальной конструкции, позволяющей размести п. п
нем и охладить, с учетом уровня хладопроизводительности МКС, помимо * 1ШУ почти все элементы входного тракта.
-
Впервые в отечественной практике в радиометрах дециметрового диапазона для приема круговых поляризаций, во входном круглом волноводе применена охлаждаемая дипольная система, что позволило значительно снизить ее вклад в шумовую температуру входа радиометра.
-
Разработано и сконструировано компактное симметрирующее устройство (СУ), доступное по своим габаритам и весу размещению на самой "холодной" ступени охлаждения МКС; оно, обеспечивая симметричную запитку диполей, одновременно является устройством согласования диполя с усилительным элементом.
-
Исследованы и внедрены в промышленность разработанные вновь малогабаритные развязывающие устройства, обеспечивающие заданные параметры при охлаждении до температур водородного уровня.
Результаты выполненных научных исследований и разработо* реализованы при проведении следующих работ:
-
В НПО "Сатурн" при проведении ОКР "Эсминец" по изготовленик радиометров;
-
В войсковой части 26315 при выполнении НИР "Риастра" по тем< "Исследование фундаментальных проблем координатно-временногс обеспечения видов Вооруженных Сил;
-
В военном представительстве 1803 ВП МО при разработке комплекс. "КВАЗАР".
На защиту выносятся следующие основные результаты
работы
-
Алгоритм минимизации шумовой температуры радиометра, позволяющий реализовать "предельный" радиометр в дециметровом диапазоне;
-
Метод охлажден..я входных трактов и МШУ, позволяющий исключить "тепловые" мосты, на основе которого разработан криоблок, единый для двух каналов МШУ и входных трактов;
-
Двухканальный "предельный" радиометр на волны 21 и 18 см с использованием НЕМТ транзисторов в первых каскадах усиления, охлаждаемый микрокриогенной системой замкнутого цикла охлаждения нового поколения;
-
Метод построения и конструирование входного поляризационного тракта с использованием охлажденной системы крестообразных диполей с симметрирующими устройствами.
Апробация результатов работы
Результаты работы апробированы на конференциях: XIV, XXI Всесоюзных конференциях "Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы", 1982, 1989, г. Ереван; URSI/IAU Symposium on VLB1 Technology, 1993, Kyoto, Japan; Российская астрометріїческая конференции, 1993, г. С.-Петербург; 2nd EVN/JIVE Symposium, Torun, Poland, October 21-25, 1994; 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology, Kiev, Ukraine, September 11-16 1995; XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18 22 сентября 1995 и семинарах Института прикладной астрономии РАН и Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Публикации и вклад автора
Основное содержание диссертации изложено в 11-ти печатных работах, эскизном проекте комплекса "КВАЗАР" и 3-х отчетах о НИР [1-15].
В указанных работах автору принадлежат:
во всех работах - непосредственное участие в разработке, исследовании и внедрении приемных устройств диапазонов 18-21 см;
в работе [1] - разработка, настройка к испытание гетеродина для радиометра, проведение наблюдений с разработанным гетеродином;
в работах [2, 3] - расчеты применения схемы с пилот-сигнадом в радиометрии и опробование та'сой схемы построения радиометра в наблюдениях локальных источников солнечного радиоизлучения;
в работах [4-6, 8, 11] - постановка задачи, разработка, создание и исследование ма. шумящего приемного устройства и радиометра в селом для диапазона 18-21 см;
в работах [7, 9, 12] - постановка задачи, проведение теоретических расчетов и экспериментальных работ;
в работах [10, 13-15] - непосредственное участие в разработках метода охлаждения радиотехнических устройств и опытной эксплуатации микрокриогенных систем.
Структура и объем диссертации