CN102004001A - 毫米波多像元制冷接收机杜瓦 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波多像元接收机杜瓦，该杜瓦的冷屏可以使热辐射被有效阻隔，同时不影响接收机灵敏度，因而降低了对制冷机制冷功率的需求。毫米波多像元接收机杜瓦，包括真空腔和设在真空腔内的冷屏，所述冷屏上设多个圆形窗口，圆形窗口与设在冷屏内的探测器位置对应；所述圆形窗口包括冷屏上表面的通孔和覆盖在通孔上面的具有一定厚度的介质透镜，介质透镜边缘固定在冷屏上表面。

Description

毫米波多像元制冷接收机杜瓦 

技术领域

本发明属于一种杜瓦，特别是一种兼用于减少热辐射和进行波束变换的毫米波段低温制冷多波束接收机杜瓦。

背景技术

具有空间成像能力的多像元探测技术不但在光学、红外频段被广泛应用（比如CCD相机），而且在波长更长的微波、毫米波、亚毫米波领域也逐步取代单像元技术，成为提高探测效率的主要手段。

灵敏的探测器需要工作在低温环境下，以减小探测器本身的热噪声。由于其工作于极低的温度（例如超导探测器通常工作于小于4K的环境），这些探测器的噪声性能远好于常温工作的探测器，成为先进的射电天文望远镜接收机的核心器件。探测器所需要的极低温度条件通常由杜瓦和制冷机实现。杜瓦将探测器与外界进行热隔离，使外部的热量难以进入。然而，由于（1）探测器需要与外部进行信号交换（包括被探测信号的输入以及捕获并放大的信号输出）、（2）探测器及其辅助电路需要外部供电以及（3）探测器所在低温结构需要机械支撑的原因，无法避免热量经由这些路径进入探测器所在低温环境使探测器温度上升。而制冷机的功能就是将探测器及辅助电路产生的热量以及外部进入的热量连续地排出，以保持低温和温度恒定。

杜瓦通常由真空腔以及一个或多个冷屏构成，冷屏的温度介于低温冷级和常温之间。其作用是使外界的热辐射不能直接进入低温冷级，而将大部分热辐射在冷屏上被阻隔。冷屏和真空腔上开设窗口，使被探测信号可以到达探测器。单像元探测器由于信号窗口面积小、支撑结构简单、偏置引线少以及产生的热量小的原因，对杜瓦和制冷机的要求都较低。冷屏的窗口上通常仅覆盖一层红外吸收率较高的薄膜，以减小由窗口进入的辐射热同时避免对被探测信号造成明显衰减。接收机信号通路上所必须的一些准光学器件，例如透镜或反射镜均放置在杜瓦外部。虽然这种方法阻隔热辐射的效率不高，但结构简单，对信号的衰减小，而且制冷机通常能够提供足够的制冷功率使探测器保持在工作温度。

相比之下，多像元探测器会产生以及由外界传入更多的热量，而制冷机的制冷功率通常是非常有限的。这个矛盾对多像元接收机杜瓦的设计提出了挑战。在毫米波多像元探测器应用中，出现了两种设计方法。一种是沿用单像元技术，将光学元件放置在杜瓦外部，处于常温，而冷屏上开设多个窗口，每一个窗口对应一个像元，窗口上使用红外吸收膜。这种方法的例子见 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，这种简单的方式造成从窗口较大的辐射漏热，需要功率强大的制冷机，例如此例中使用了大功率的JT制冷机，在4K时的制冷功率高达3.5W。这种大功率制冷机由于电力供应、重量、操作以及费用上的要求都是非常高的。另一种方法是将光学元件放置在杜瓦内，使用准光学元件对多个像元的波束进行变换，使得冷屏处波束尺寸最小。在冷屏上开设一大型窗口，使其能覆盖所有波束。这种方法的例子见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，这种方法中冷屏上的窗口尺寸并不是由单个像元波束尺寸决定的，而是由多像元阵列排布的总尺寸决定的。由于使用了大型窗口，即便在窗口上应用了较厚的隔热材料，也会由于窗口尺寸过大而难以冷却到冷屏所在的温度，从而造成较大的辐射漏热。因此同样需要大功率的制冷设备，例如此例中使用了两台制冷机来达到所需要的工作温度。

在射电天文应用中，射电天文望远镜站址常处于高山、荒漠等极端条件下，电力和维护都比较困难。因此已有的方案不能适应毫米波段多像元制冷接收机的实际应用要求。需要一种新的杜瓦冷屏结构，使得能够在不损失接收机探测灵敏度的前提下减小对制冷功率的需求。

发明内容

已有的毫米波段多像元制冷接收机杜瓦冷屏不能有效阻隔由窗口进入的热辐射，因而必须使用大功率的制冷机或采用多台制冷机同时制冷。这一约束对毫米波段多像元制冷机的应用造成了严重障碍。为了克服已有的毫米波段多像元制冷接收机杜瓦冷屏设计对制冷功率要求过高的问题，本发明提供一种杜瓦，该杜瓦的冷屏可以使热辐射被有效阻隔，同时不影响接收机灵敏度，因而降低了对制冷机制冷功率的需求。

实现本发明目的的技术方案是：毫米波多像元接收机杜瓦，包括真空腔和设在真空腔内的冷屏，所述冷屏上设多个圆形窗口，圆形窗口与设在冷屏内的探测器位置对应；所述圆形窗口包括冷屏上表面的通孔和覆盖在通孔上面的具有一定厚度的介质透镜，介质透镜边缘固定在冷屏上表面。

本发明中，杜瓦冷屏上采用独立的窗口可以最大幅度地减小总的窗口面积，进而减小了热辐射面积。窗口的边缘选取为-30dB高斯波束边缘，以避免截断对波束形状的影响。在窗口上放置并压紧具有一定厚度的介质透镜，使透镜与冷屏有良好的热接触。介质材料具有良好的红外吸收特性。该透镜具有双重功能。首先是作为一个有效的红外吸收体，将外来的热辐射充分吸收。由于介质透镜具有相当的厚度，同时独立窗口的尺寸较小，因此透镜的传热截面较大，传热路径短，这保证了透镜能够有效冷却。在透镜吸收了外界热辐射后，其温度也能够与冷屏的温度保持接近。由于辐射热与窗口材料温度的4次方成正比，因此窗口温度的有效下降大幅减少了对探测器的二次热辐射。透镜的第二个功能是对波束进行变换，使得焦平面由探测器的位置搬移到杜瓦真空窗口的位置。由于焦平面上的波束尺寸最小，所以允许真空腔上的窗口具有尽量小的尺寸，这样有利于真空窗口的密封。

所述介质透镜为双突的介质透镜，透镜的材料在毫米波频段有较低的损耗，比如聚四氟乙烯（Teflon）、聚甲基戊烯（TPX）、聚乙烯（HDPE）、石英玻璃、高纯硅等，具有两个球冠以及加厚层，使得透镜有足够的导热截面。

为了进一步减小到达探测器的热辐射，介质透镜的上部还设有多孔聚四氟乙烯薄膜，厚度为几百微米。聚四氟乙烯薄膜通过环形盖板固定在透镜固定框上面。在透镜固定框上表面和环形盖板下表面分别设有相对应的凹槽和凸棱，更好地固定和拉直薄膜。该薄膜对毫米波几乎没有损耗，但具有较好的红外吸收性能。由于这层膜较薄，所以不能有效冷却，但对阻断红外辐射具有辅助的效果。

本项发明的有益效果是： 毫米波制冷接收机杜瓦冷屏独立窗口上的厚介质透镜可以有效阻挡外界的热辐射，使通过窗口到达低温探测器的热辐射总量减小两个量级，即达到自由辐射的百分之一。透镜上部的红外吸收膜还可以进一步减小热辐射。由于窗口热辐射是毫米波多像元制冷接收机的主要热负载，因此这一设计极大减小了对制冷机制冷功率的要求，使得小型制冷机得以应用于毫米波多像元接收机系统中。

附图说明

图1本发明实施例1中9像元接收机杜瓦结构示意图；

图2本发明实施例1中9像元接收机杜瓦冷屏结构示意图；

图3本发明实施例1中冷屏窗口结构示意图；

图4本发明实施例1中冷屏窗口外形结构示意图；

图5本发明实施例1中红外吸收膜固定盖板结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

实施例1

如图1所示，毫米波多像元接收机杜瓦，包括真空腔1和设在真空腔内的冷屏2，9像元毫米波制冷接收机的9个探测器构成的阵列位于4K冷级3上，在4K冷级3与真空腔1之间是温度为50K的冷屏2。冷屏的材料为紫铜，内外表面抛光并电镀铬，以减少发射率。冷屏的顶部开有9个独立的圆形窗口10，见图2，每个圆形窗口与一个探测器相对应。窗口的直径等于探测器波束在冷屏窗口位置的-30dB边缘锥削，使得窗口对波束的遮挡限制在允许的范围，使被探测毫米波信号可以几乎无遮挡地穿过这些窗口，到达探测器。

9个圆形窗口具有相同的结构，其中任意一个窗口的结构见图3。在冷屏上表面13的上部是双突的聚四氟乙烯透镜14，透镜具有两个球冠以及一段数毫米厚的加厚层，使得透镜有足够的导热截面。透镜的边缘留有与冷屏的接触面，通过铝制的透镜固定框15和8个螺钉固定在冷板上。螺丝上紧时对透镜产生一定的预应力，使透镜与冷板紧密接触，以减小热阻。由于透镜和冷板之间较小的热阻，以及透镜本身具有较大的导热截面，因此透镜上吸收的辐射热能够及时传递到冷屏上，而使透镜保持在较低的温度，从而大幅减小透镜向探测器的热辐射。

在透镜固定框之上放置一层多孔聚四氟乙烯膜17（ZITEX^??），厚度为几百微米，用于辅助的红外辐射遮挡。薄膜上的铝制盖板18以及4个螺钉将薄膜固定在透镜的上方。为了使薄膜17平直，在透镜固定框15上设有一个与窗口同心的凹槽16，而在盖板18上设有一个与之对应的棱状突出19，见图4。这个结构可以使聚四氟乙烯膜17有效地绷直，避免了薄膜17可能的褶皱对毫米波信号的影响。

Claims (5)

1.毫米波多像元接收机杜瓦，包括真空腔和设在真空腔内的冷屏，其特征是，所述冷屏上设多个圆形窗口，圆形窗口与设在冷屏内的探测器位置对应；所述圆形窗口包括冷屏上表面的通孔和覆盖在通孔上面的具有一定厚度的介质透镜，介质透镜边缘固定在冷屏上表面。

2.根据权利要求1所述的毫米波多像元接收机杜瓦，其特征是，所述介质透镜为双突的聚四氟乙烯透镜，具有两个球冠以及加厚层。

3.根据权利要求1所述的毫米波多像元接收机杜瓦，其特征是，所述介质透镜的上部还设有一层多孔的聚四氟乙烯薄膜，膜厚度为几百微米。

4.根据权利要求1所述的毫米波多像元接收机杜瓦，其特征是，所述圆形窗口的直径等于探测器波束在所述窗口位置的-30dB边缘锥削。

5.根据权利要求3所述的毫米波多像元接收机杜瓦，其特征是，所述聚四氟乙烯薄膜通过环形盖板固定在透镜固定框上面，在透镜固定框上表面和环形盖板下表面分别设有相对应的凹槽和凸棱。

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