毫米波多像元製冷接收機杜瓦的製作方法
2023-10-27 20:22:52 1
專利名稱：毫米波多像元製冷接收機杜瓦的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種杜瓦，特別是一種兼用於減少熱輻射和進行波束變換的毫米波段 低溫製冷多波束接收機杜瓦。
背景技術：
具有空間成像能力的多像元探測技術不但在光學、紅外頻段被廣泛應用(比如CXD 相機)，而且在波長更長的微波、毫米波、亞毫米波領域也逐步取代單像元技術，成為提高探 測效率的主要手段。靈敏的探測器需要工作在低溫環境下，以減小探測器本身的熱噪聲。由於其工作 於極低的溫度(例如超導探測器通常工作於小於4K的環境)，這些探測器的噪聲性能遠好於 常溫工作的探測器，成為先進的射電天文望遠鏡接收機的核心器件。探測器所需要的極低 溫度條件通常由杜瓦和制冷機實現。杜瓦將探測器與外界進行熱隔離，使外部的熱量難以 進入。然而，由於(1)探測器需要與外部進行信號交換(包括被探測信號的輸入以及捕獲並 放大的信號輸出)、(2)探測器及其輔助電路需要外部供電以及(3)探測器所在低溫結構需 要機械支撐的原因，無法避免熱量經由這些路徑進入探測器所在低溫環境使探測器溫度上 升。而制冷機的功能就是將探測器及輔助電路產生的熱量以及外部進入的熱量連續地排 出，以保持低溫和溫度恆定。杜瓦通常由真空腔以及一個或多個冷屏構成，冷屏的溫度介於低溫冷級和常溫之 間。其作用是使外界的熱輻射不能直接進入低溫冷級，而將大部分熱輻射在冷屏上被阻隔。 冷屏和真空腔上開設窗口，使被探測信號可以到達探測器。單像元探測器由於信號窗口面 積小、支撐結構簡單、偏置引線少以及產生的熱量小的原因，對杜瓦和制冷機的要求都較 低。冷屏的窗口上通常僅覆蓋一層紅外吸收率較高的薄膜，以減小由窗口進入的輻射熱同 時避免對被探測信號造成明顯衰減。接收機信號通路上所必須的一些準光學器件，例如透 鏡或反射鏡均放置在杜瓦外部。雖然這種方法阻隔熱輻射的效率不高，但結構簡單，對信號 的衰減小，而且制冷機通常能夠提供足夠的製冷功率使探測器保持在工作溫度。相比之下，多像元探測器會產生以及由外界傳入更多的熱量，而制冷機的製冷功 率通常是非常有限的。這個矛盾對多像元接收機杜瓦的設計提出了挑戰。在毫米波多像 元探測器應用中，出現了兩種設計方法。一種是沿用單像元技術，將光學元件放置在杜 瓦外部，處於常溫，而冷屏上開設多個窗口，每一個窗口對應一個像元，窗口上使用紅外 吸收膜。這種方法的例子見 Chieko Yamaguchi, etc. , "Design of the Focal Plane Array Receiver for the NRO 45_m Telescope,，，Proceedings of SPIE, Vol. 4015, pp. 614-623，2000。正如前面所指出的，這種簡單的方式造成從窗口較大的輻射漏熱，需要 功率強大的制冷機，例如此例中使用了大功率的JT制冷機，在4K時的製冷功率高達3. 51 這種大功率制冷機由於電力供應、重量、操作以及費用上的要求都是非常高的。另一種方法 是將光學元件放置在杜瓦內，使用準光學元件對多個像元的波束進行變換，使得冷屏處波 束尺寸最小。在冷屏上開設一大型窗口，使其能覆蓋所有波束。這種方法的例子見Neal R.Erickson, etc. , "A 15 Element Focal Plane Array For 100GHz,，，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 40, No. 1, pp. 1-11, 1992。可以看出，這 種方法中冷屏上的窗口尺寸並不是由單個像元波束尺寸決定的，而是由多像元陣列排布的 總尺寸決定的。由於使用了大型窗口，即便在窗口上應用了較厚的隔熱材料，也會由於窗口 尺寸過大而難以冷卻到冷屏所在的溫度，從而造成較大的輻射漏熱。因此同樣需要大功率 的製冷設備，例如此例中使用了兩臺制冷機來達到所需要的工作溫度。在射電天文應用中，射電天文望遠鏡站址常處於高山、荒漠等極端條件下，電力和 維護都比較困難。因此已有的方案不能適應毫米波段多像元製冷接收機的實際應用要求。 需要一種新的杜瓦冷屏結構，使得能夠在不損失接收機探測靈敏度的前提下減小對製冷功 率的需求。
發明內容
已有的毫米波段多像元製冷接收機杜瓦冷屏不能有效阻隔由窗口進入的熱輻射， 因而必須使用大功率的制冷機或採用多臺制冷機同時製冷。這一約束對毫米波段多像元制 冷機的應用造成了嚴重障礙。為了克服已有的毫米波段多像元製冷接收機杜瓦冷屏設計對 製冷功率要求過高的問題，本發明提供一種杜瓦，該杜瓦的冷屏可以使熱輻射被有效阻隔， 同時不影響接收機靈敏度，因而降低了對制冷機製冷功率的需求。實現本發明目的的技術方案是毫米波多像元接收機杜瓦，包括真空腔和設在真 空腔內的冷屏，所述冷屏上設多個圓形窗口，圓形窗口與設在冷屏內的探測器位置對應；所 述圓形窗口包括冷屏上表面的通孔和覆蓋在通孔上面的具有一定厚度的介質透鏡，介質透 鏡邊緣固定在冷屏上表面。本發明中，杜瓦冷屏上採用獨立的窗口可以最大幅度地減小總的窗口面積，進而 減小了熱輻射面積。窗口的邊緣選取為-30dB高斯波束邊緣，以避免截斷對波束形狀的影 響。在窗口上放置並壓緊具有一定厚度的介質透鏡，使透鏡與冷屏有良好的熱接觸。介質材 料具有良好的紅外吸收特性。該透鏡具有雙重功能。首先是作為一個有效的紅外吸收體， 將外來的熱輻射充分吸收。由於介質透鏡具有相當的厚度，同時獨立窗口的尺寸較小，因此 透鏡的傳熱截面較大，傳熱路徑短，這保證了透鏡能夠有效冷卻。在透鏡吸收了外界熱輻射 後，其溫度也能夠與冷屏的溫度保持接近。由於輻射熱與窗口材料溫度的4次方成正比，因 此窗口溫度的有效下降大幅減少了對探測器的二次熱輻射。透鏡的第二個功能是對波束進 行變換，使得焦平面由探測器的位置搬移到杜瓦真空窗口的位置。由於焦平面上的波束尺 寸最小，所以允許真空腔上的窗口具有儘量小的尺寸，這樣有利於真空窗口的密封。所述介質透鏡為雙突的介質透鏡，透鏡的材料在毫米波頻段有較低的損耗，比如 聚四氟乙烯(Teflon)、聚甲基戊烯(TPX)、聚乙烯(HDPE)、石英玻璃、高純矽等，具有兩個球 冠以及加厚層，使得透鏡有足夠的導熱截面。為了進一步減小到達探測器的熱輻射，介質透鏡的上部還設有多孔聚四氟乙烯薄 膜，厚度為幾百微米。聚四氟乙烯薄膜通過環形蓋板固定在透鏡固定框上面。在透鏡固定 框上表面和環形蓋板下表面分別設有相對應的凹槽和凸稜，更好地固定和拉直薄膜。該薄 膜對毫米波幾乎沒有損耗，但具有較好的紅外吸收性能。由於這層膜較薄，所以不能有效冷 卻，但對阻斷紅外輻射具有輔助的效果。
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本項發明的有益效果是毫米波製冷接收機杜瓦冷屏獨立窗口上的厚介質透鏡 可以有效阻擋外界的熱輻射，使通過窗口到達低溫探測器的熱輻射總量減小兩個量級，即 達到自由輻射的百分之一。透鏡上部的紅外吸收膜還可以進一步減小熱輻射。由於窗口熱 輻射是毫米波多像元製冷接收機的主要熱負載，因此這一設計極大減小了對制冷機製冷功 率的要求，使得小型制冷機得以應用於毫米波多像元接收機系統中。
圖1本發明實施例1中9像元接收機杜瓦結構示意圖； 圖2本發明實施例1中9像元接收機杜瓦冷屏結構示意圖； 圖3本發明實施例1中冷屏窗口結構示意圖4本發明實施例1中冷屏窗口外形結構示意圖； 圖5本發明實施例1中紅外吸收膜固定蓋板結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例做進一步說明。實施例1
如圖1所示，毫米波多像元接收機杜瓦，包括真空腔1和設在真空腔內的冷屏2，9像元 毫米波製冷接收機的9個探測器構成的陣列位於4K冷級3上，在4K冷級3與真空腔1之 間是溫度為50K的冷屏2。冷屏的材料為紫銅，內外表面拋光並電鍍鉻，以減少發射率。冷 屏的頂部開有9個獨立的圓形窗口 10，見圖2，每個圓形窗口與一個探測器相對應。窗口的 直徑等於探測器波束在冷屏窗口位置的_30dB邊緣錐削，使得窗口對波束的遮擋限制在允 許的範圍，使被探測毫米波信號可以幾乎無遮擋地穿過這些窗口，到達探測器。9個圓形窗口具有相同的結構，其中任意一個窗口的結構見圖3。在冷屏上表面13 的上部是雙突的聚四氟乙烯透鏡14，透鏡具有兩個球冠以及一段數毫米厚的加厚層，使得 透鏡有足夠的導熱截面。透鏡的邊緣留有與冷屏的接觸面，通過鋁製的透鏡固定框15和8 個螺釘固定在冷板上。螺絲上緊時對透鏡產生一定的預應力，使透鏡與冷板緊密接觸，以減 小熱阻。由於透鏡和冷板之間較小的熱阻，以及透鏡本身具有較大的導熱截面，因此透鏡上 吸收的輻射熱能夠及時傳遞到冷屏上，而使透鏡保持在較低的溫度，從而大幅減小透鏡向 探測器的熱輻射。在透鏡固定框之上放置一層多孔聚四氟乙烯膜17 (ZITEX )，厚度為幾百微米，用 於輔助的紅外輻射遮擋。薄膜上的鋁製蓋板18以及4個螺釘將薄膜固定在透鏡的上方。為 了使薄膜17平直，在透鏡固定框15上設有一個與窗口同心的凹槽16，而在蓋板18上設有 一個與之對應的稜狀突出19，見圖4。這個結構可以使聚四氟乙烯膜17有效地繃直，避免 了薄膜17可能的褶皺對毫米波信號的影響。
權利要求
1.毫米波多像元接收機杜瓦，包括真空腔和設在真空腔內的冷屏，其特徵是，所述冷屏 上設多個圓形窗口，圓形窗口與設在冷屏內的探測器位置對應；所述圓形窗口包括冷屏上 表面的通孔和覆蓋在通孔上面的具有一定厚度的介質透鏡，介質透鏡邊緣固定在冷屏上表
2.根據權利要求1所述的毫米波多像元接收機杜瓦，其特徵是，所述介質透鏡為雙突 的聚四氟乙烯透鏡，具有兩個球冠以及加厚層。
3.根據權利要求1所述的毫米波多像元接收機杜瓦，其特徵是，所述介質透鏡的上部 還設有一層多孔的聚四氟乙烯薄膜，膜厚度為幾百微米。
4.根據權利要求1所述的毫米波多像元接收機杜瓦，其特徵是，所述圓形窗口的直徑 等於探測器波束在所述窗口位置的_30dB邊緣錐削。
5.根據權利要求3所述的毫米波多像元接收機杜瓦，其特徵是，所述聚四氟乙烯薄膜 通過環形蓋板固定在透鏡固定框上面，在透鏡固定框上表面和環形蓋板下表面分別設有相 對應的凹槽和凸稜。
全文摘要
本發明涉及一種毫米波多像元接收機杜瓦，該杜瓦的冷屏可以使熱輻射被有效阻隔，同時不影響接收機靈敏度，因而降低了對制冷機製冷功率的需求。毫米波多像元接收機杜瓦，包括真空腔和設在真空腔內的冷屏，所述冷屏上設多個圓形窗口，圓形窗口與設在冷屏內的探測器位置對應；所述圓形窗口包括冷屏上表面的通孔和覆蓋在通孔上面的具有一定厚度的介質透鏡，介質透鏡邊緣固定在冷屏上表面。
文檔編號G01J5/02GK102004001SQ20101050997
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者單文磊 申請人:中國科學院紫金山天文臺