CN105510724A - 基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，包括本振参考信号源、波束分离器、超导热电子混频器、混频器直流偏置源、磁场调控单元、PID控制器、低温中频放大单元、常温中频放大单元和频谱仪。所述PID控制器实时监视超导热电子混频器工作电流，有效稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。本振参考信号源输出的本振参考信号和被探测信号分别经波束分离器耦合至所述超导热电子混频器；低温中频放大单元和常温中频放大单元对超导热电子混频器输出中频信号进行放大。本发明采用超导线圈构成磁场调控单元，结构简单紧凑，易于实现小型化，磁场调控对太赫兹超导热电子相干探测器系统性能无任何影响且适用范围更广。

Description

基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统

技术领域

本发明公开了基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，涉及天文学探测器技术领域。

背景技术

太赫兹(THz)频段是现代天文学最后一个有待全面研究的电磁波频段，是继红外和毫米波频段之后21世纪人类探测宇宙最新发展的、其它频段不可替代的观测窗口。太赫兹频段存在丰富分子转动谱线和精细结构原子谱线，对这些分子和原子谱线进行高分辨率观测可以研究天体物体的化学性质与运动学特征。太赫兹频段分子转动谱线和精细结构原子谱线高分辨率观测对于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等具有非常重要的意义,在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用。

由于宇宙天文信号通常非常微弱，天文分子和原子谱线高分辨率观测需要高灵敏度和高稳定度相干探测器系统。目前灵敏度最高的相干探测器系统是超导相干探测器系统，其主要核心部件为超导外差混频器。在太赫兹频段，主要应用超导外差混频器有基于低温超导体(如Nb和NbN)的超导隧道结(SuperconductorInsulatorSuperconductor，简称SIS)混频器和超导热电子(HotElectronBolometer，简称HEB)混频器，两者灵敏度均可达几倍(甚至接近)量子极限，满足实际天文分子和原子谱线高分辨率观测需求。

在稳定性方面，超导隧道结相干探测器系统和超导热电子相干探测器系统均未展现出强抗干扰特性，两者工作状态均易受外界因素(如空气扰动，温度波动和电磁干扰等)影响。另外，超导外差混频器需要工作于液氦温区，由于液氦资源稀缺，超导外差混频器工作越来越需要依赖4K闭循环制冷机，而4K闭循环制冷机的机械振动和温度波动进一步恶化了超导隧道结相干探测器系统和超导热电子相干探测器系统工作稳定性。目前实测太赫兹超导隧道结相干探测器探测器系统总功率AllanVariance时间约为几秒，太赫兹超导热电子相干探测器系统总功率AllanVariance时间仅为1秒，均难以满足实际天文观测长时间积分需求。

为此，欧美等发达国家各研究小组正积极开展太赫兹超导相干探测器系统(尤其是太赫兹超导热电子相干探测器系统)稳定性研究。太赫兹超导相干探测器系统核心部件为超导外差混频器，其阻抗特性可通过本振参考信号、低频微波信号、外加磁场以及工作温度等进行调控。如果超导外差混频器恒压偏置，其工作电流即可通过本振参考信号、低频微波信号、外加磁场以及工作温度等改变。基于上述调控方法，欧美等发达国家各研究小组实现了高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，主要包括：(1)瑞典Chalmers理工大学实现了基于平衡混频器的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。该太赫兹超导热电子相干探测器系统利用平衡混频器有效抑制了本振参考信号波动，有效改善了太赫兹超导热电子相干探测器系统工作稳定性，但其需要两个超导热电子混频器，并对两个超导热电子混频器一致性具有较高要求。(2)美国哈佛史密松天体物理中心EdwardTong等实现了注入低频微波信号的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。该太赫兹超导热电子相干探测器系统是利用超导热电子混频器中频端微波环形器给超导热电子混频器注入低频微波信号，并依据超导热电子混频器工作状态实时调控注入低频微波信号强度，进而稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。注入低频微波信号方法虽然简单，但其在超导热电子混频器中频端引入了微波环形器，其会给中频信号传输带来插损。(3)SRON/TUDelft研究小组实现了基于本振功率反馈法的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。该太赫兹超导热电子相干探测器系统是利用音圈电机(VoiceCoil)作为快速可调衰减器，通过实时调控本振参考信号稳定超导热电子相干探测器系统。目前，该研究小组已将太赫兹超导热电子相干探测器系统总功率AllanVariance时间有效提高至30秒(中频带宽为16MHz)，但其不足之处在于音圈电机不能工作于真空低温环境，如果本振参考信号源被集成于真空杜瓦内，音圈电机将无法使用。综上所述，欧美等发达国家各研究小组已通过采用各种不同方法实现了高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，但这些高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统均存在一些不足或应用限制。因此，亟需开发一种结构简洁紧凑、灵敏度高且易于实际应用的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，引入磁场调控单元(由超导Nb或者NbTi线圈构成)和PID(ProportionalIntegralDerivative)控制器，利用PID控制器实时监视超导热电子混频器工作电流，并与目标值比较。如果超导热电子混频器工作电流受外界因素干扰出现偏差，PID控制器将通过精确控制磁场调控单元中超导Nb或者NbTi线圈电流，改变施加至超导热电子混频器磁场强度，进而改变超导热电子混频器阻抗特性，稳定超导热电子混频器工作电流。本发明对超导热电子混频器无特殊要求，热电子混频器工作电流改变几个微安仅需磁场调控单元提供kG磁场，磁场调控单元中超导Nb或者NbTi线圈可与超导热电子混频器固定基座集成，结构简洁紧凑。另外，引入磁场调控单元不会影响太赫兹超导热电子相干探测器系统性能，无任何应用限制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，包括束波分离器、本振参考源、控制器、混频器直流偏置源、常温中频放大单元和频谱仪，还包括设置于真空杜瓦内的超导热电子混频器、磁场调控单元以及低温中频放大单元；

所述束波分离器接收被探测信号，并分别与本振参考源、超导热电子混频器相连接；超导热电子混频器相连接分别与低温中频放大单元、混频器直流偏置源、磁场调控单元相连；所述控制器分别与磁场调控单元、混频器直流偏置源相连接；所述低温中频放大单元还与常温中频放大单元相连接，常温中频放大单元与频谱仪相连接。

磁场调控单元，其可产生变化磁场，用于调控超导热电子混频器偏置电流；

控制器，用于监视超导热电子混频器工作电流，精确控制磁场调控单元施加至超导热电子混频器磁场强度，控制器输入端与混频器直流偏置源电连接，控制器输出端与磁场调控单元输入端电连接；

超导热电子混频器，用于对被探测信号进行变频操作，所述本振参考信号源所产生信号和被探测信号分别输入波束分离器，经耦合操作后由波束分离器输出并输入到所述超导热电子混频器的输入端，混频器直流偏置源和超导热电子混频器电连接，用于向超导热电子混频器提供直流偏置；

低温中频放大单元，用于放大超导热电子混频器输出的中频信号，低温中频放大单元输入端和超导热电子混频器输出端电连接；

常温中频放大单元，用于放大低温中频放大单元输出中频信号，常温中频放大单元输入端和低温中频放大单元输出端电连接；

频谱仪，用于信号频谱分析，频谱仪输入端和常温中频放大单元输出端电连接；

本发明在应用中，还有如下进一步改进的技术方案。

进一步地，所述磁场调控单元由超导Nb或者NbTi线圈构成。

进一步地，所述控制器为PID控制器。

本发明实现了一种基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，与基于平衡混频器的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统相比，本发明所设计的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统只需要单个超导热电子混频器，且对超导热电子混频器无任何特殊要求。磁场调控单元由超导Nb或者NbTi线圈构成，其体积较小，可与超导热电子混频器固定基座集成，结构简单紧凑。另外，与注入低频微波信号以及基于本振功率反馈法的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统相比，本发明所设计的磁场调控单元不会影响太赫兹超导热电子相干探测器系统性能，且不管本振参考信号源和波束分离器是否被集成在真空杜瓦内，均可适用。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过引入磁场调控单元和PID控制器，实现了高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。利用磁场调控单元所产生磁场改变超导热电子混频器阻抗特性，稳定超导热电子混频器工作电流，对超导热电子混频器自身无任何特殊要求。热电子混频器工作电流改变几个微安仅需磁场调控单元提供kG磁场，磁场调控单元可由超导Nb或者NbTi线圈构成，可与超导热电子混频器固定基座集成，结构简单紧凑，易于实现小型化。

利用磁场调控单元所产生磁场调控超导热电子混频器工作电流对相干探测器系统自身性能不会产生影响。在应用方面，不管本振参考信号源和波束分离器是否被集成在真空杜瓦内，基于磁场调控的方法均可适用。

附图说明

图1是基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统构造示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的一种基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，包括本振参考信号源、波束分离器、超导热电子混频器、混频器直流偏置源、磁场调控单元、控制器、低温中频放大单元、常温中频放大单元和频谱仪。

波束分离器，用于将被探测信号和本振参考信号源输出参考信号耦合至超导热电子混频器。超导热电子混频器，用于对被探测信号进行变频操作，并将所产生中频传输至低温中频放大单元。混频器直流偏置源和超导热电子混频器供电端电连接，用于向超导热电子混频器提供直流偏置。控制器为PID控制器，用于实时监视超导热电子混频器偏置电流，精确控制磁场调控单元输出磁场强度，PID控制器输入端与混频器偏置电流源电连接，PID控制器输出端与磁场调控单元输入端电连接。低温中频放大单元，用于放大超导热电子混频器输出中频信号，低温中频放大单元输入端和超导热电子混频器输出端电连接。常温中频放大单元，用于放大低温中频放大单元输出中频信号，常温中频放大单元输入端和低温中频放大单元输出端电连接。频谱仪，用于信号频谱分析，频谱仪输入端和常温中频放大单元输出端电连接。

本发明的基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统在正常工作时，PID控制器实时监视超导热电子混频器工作电流，并实时精确调控磁场调控单元输出磁场强度，以稳定超导热电子混频器工作状态。另外，被探测信号与本振参考信号源输出本振参考信号通过波束分离器耦合至超导热电子混频器输入端，在超导热电子混频器输出端输出经混频后的中频信号，所述中频信号先后通过置于真空杜瓦内的低温中频放大单元和置于真空杜瓦外的常温中频放大单元放大后，最后输入至频谱仪分析处理。

相对于现有高稳定太赫兹超导热电子相干探测器(基于平衡混频器的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统、注入低频微波信号的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统以及基于本振功率反馈法的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统)，本发明的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器具有如下技术进步性。

1)本发明对超导热电子混频器自身无任何特殊要求；由超导Nb或者NbTi线圈构成的磁场调控单元体积较小，可与超导热电子混频器固定基座集成，结构简单紧凑，易于实现小型化。

2)本发明采用磁场调控单元和PID控制器稳定超导热电子混频器工作电流，对太赫兹超导热电子相干探测器系统性能无任何影响。

3)本发明的基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，对相干探测器系统所属单元(如本振参考信号源和波束分离器等)工作环境无特殊要求，适用范围更广。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，其特征在于：包括束波分离器、本振参考源、控制器、混频器直流偏置源、常温中频放大单元和频谱仪，还包括设置于真空杜瓦内的超导热电子混频器、磁场调控单元以及低温中频放大单元；

所述束波分离器接收被探测信号，并分别与本振参考源、超导热电子混频器相连接；超导热电子混频器相连接分别与低温中频放大单元、混频器直流偏置源、磁场调控单元相连；所述控制器分别与磁场调控单元、混频器直流偏置源相连接；所述低温中频放大单元还与常温中频放大单元相连接，常温中频放大单元与频谱仪相连接；

所述束波分离器用于将被探测信号和本振参考信号源输出参考信号耦合至超导热电子混频器；

所述磁场调控单元，用以产生变化磁场，调控超导热电子混频器偏置电流；

所述控制器，用于实时监视超导热电子混频器偏置电流，精确控制磁场调控单元输出磁场强度；

所述超导热电子混频器，用于对被探测信号进行变频操作；

所述低温中频放大单元，用于放大超导热电子混频器输出的中频信号；

所述常温中频放大单元，用于放大低温中频放大单元输出中频信号；

所述频谱仪，用于实现信号频谱分析。

2.如权利要求1所述的基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，其特征在于：所述磁场调控单元由超导Nb或者NbTi线圈构成。

3.如权利要求1所述的基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，其特征在于：所述控制器为PID控制器。