UA150475U - Радіотелескоп субміліметрового діапазону довжин хвиль з альт-азимутальним поворотним пристроєм - Google Patents

Abstract

Радіотелескоп субміліметрового діапазону довжин хвиль з альт-азимутальним поворотним пристроєм складається з головного параболічного дзеркала і гіперболічного контррефлектора, двох дзеркал кутомісцевої осі телескопа. Друге з яких лежить також і на азимутальній осі телескопа, калібрувальних джерел, висувних дзеркал калібрувальних джерел, які переміщуються в площині, перпендикулярній азимутальній осі телескопа, високочутливого приймального пристрою. Головне параболічне дзеркало виконано у вигляді вісесиметричної антени з фокусною відстанню 866±1,5 мм, гіперболічний контррефлектор виконаний у вигляді опуклої вісесиметричної поверхні діаметром 200±2 мм і радіусом кривизни 180±0,5 мм. Одне дзеркало кутомісцевої осі телескопа виконано у вигляді офсетного параболічного дзеркала діаметром 100±1 мм з фокусною відстанню 185±0,5 мм. Друге дзеркало кутомісцевої осі телескопа - у вигляді плоского дзеркала діаметром 100±1 мм, висувні дзеркала калібрувальних джерел виконані у вигляді офсетних параболічних дзеркал діаметром 110±1 мм з фокусною відстанню 185±0,5 мм. Додатково містить високочутливий приймальний пристрій і поворотне офсетне параболічне дзеркало азимутальної осі телескопа діаметром 120±1 мм з фокусною відстанню 185±0,5 мм. Середньоквадратичне відхилення виготовлення всіх дзеркальних поверхонь від заданого значення становить 20-50 мкм.

Description

Корисна модель належить до радіоастрономічних вимірювальних систем і може бути використана при проектуванні і будівництві радіотелескопів міліметрового і субміліметрового діапазону довжин хвиль.

Однією з актуальних проблем астрофізики є вивчення динамічних процесів зародження зірок в нашій галактиці Ефективним методом вирішення таких завдань є спектральні спостереження випромінювання молекул, що дозволяє вивчати масу і швидкість руху космічної газової субстанції в процесі акреції речовини на протозірки. Вивчення цих явищ засноване на ефекті випромінювання молекул на радіаційних переходах.

Розширення смуги частот, в якій реєструється випромінювання молекул, дозволяє виявити численні радіаційні переходи множинної кількості різних молекул, це підвищує обсяг інформації про досліджувані небесні об'єкти. Множинна кількість радіаційних переходів молекул знаходиться в діапазоні субміліметрових довжин хвиль.

Особливістю сучасного радіотелескопу субміліметрового діапазону є застосування високочутливих приймачів з пристроями криогенного охолодження їх вхідних каскадів. Це дозволяє реєструвати слабкі радіосигнали. При цьому антенна система повинна відстежувати джерела випромінювання, що спостерігаються, при їх русі по небесній сфері.

Необхідність глибокого охолодження приймачів, близько 20 К, призводить до збільшення їх масогабаритних характеристик і робить практично неможливим їх розміщення на рухомій антені.

Сучасний радіотелескоп будується за наступною схемою. Основне дзеркало розміщують на опорно-поворотному пристрої, який дозволяє супроводжувати спостережувані об'єкти по небесній сфері. Високочутливий приймач з системою охолодження і калібрувальні джерела радіовипромінювань розміщують, як правило, в окремому контейнері, знизу опорно-поворотного пристрою. Приймач і основне дзеркало з'єднують за допомогою спеціальної системи дзеркал і хвилеводів (проміневода) - оптичної системи, яка дозволяє передати радіосигнал, який приймається рухомим дзеркалом, до нерухомого приймача з мінімальними втратами і спотвореннями.

Відомий космічний телескоп (патент РФ 175582 1, 53028 23/04), комплексуємий з гіперспектральним блоком, що складається з первинного асферичного дзеркала і вторинного

Зо опуклого гіперболічного дзеркала. Між дзеркалами вводиться плоске поворотне дзеркало, яке перевідбиває сигнали, що приймаються на силове дзеркало у вигляді увігнутого еліпсоїда. Така конструкція телескопа дозволяє досягти високого ступеня компактності антенного пристрою в цілому.

Однак, розміщення поворотного дзеркала в пучку сигналу, що приймається, між первинним і вторинним дзеркалами, призводить до їх часткового перекриття, що знижує загальну ефективність пристрою в цілому, а для боротьби з фазовими спотвореннями необхідно застосовувати екрани.

Відомий арктичний субміліметровий радіотелескоп (Зпцп Івпії, Мазитісні беїа, Маотаза

МакКаї, МизиКке Міуатоїю, МакКоїо Мадаї, Ніознпі Агаї, Нігоуйкі Маєгауа, Таке Мадазакі, Маокі

Міуадамжа, Нідеакі Моїоуата, Мшаго БеКітоїо, Іеопагдо Вгопітап. Оемеортепі ої а

Ттаперопаріеє Теієзсоре ог Саїасіс Зийигеу а 500 СН; іп Апіагсіїса. // 23га Іпіегпайопаї

Зутровішт оп бЗрасе Тегапеп ТесппоіІоаду, ТоКуо, 2-4 аргії, 2012), який складається з головного дзеркала і контррефлектора, виконаних за схемою офсетної кассегренівської антенної системи.

Головне дзеркало виконано у вигляді офсетного параболічного дзеркала, а контррефлектор у вигляді офсетної гіперболічної антени. Така схема дозволяє уникнути затінення контррефлектором головного дзеркала, діаметр якого складає 30 см. Крім головного дзеркала і контррефлектора, в оптичну систему телескопа входять два еліптичних дзеркала і чотири плоских, а також квазіоптичний односмуговий фільтр. Дане конструктивне рішення дозволяє перенаправити прийманий потік випромінювання від рухомого головного дзеркала до нерухомо розташованого приймача.

Недоліком відомої конструкції телескопа є те, що застосування еліптичних дзеркал, повернутих щодо падаючого пучка навколо своєї вершини, призводить до появи аберацій і порушення гомоцентричності зібраного пучка випромінювання. А також порівняно невеликий кут огляду в кутомісцевій площині, близькій до зеніту, що обмежує можливості застосування даної конструкції в українських широтах.

В основу корисної моделі поставлено задачу розробки конструкції радіотелескопа субміліметрового діапазону довжин хвиль з альт-азимутальним поворотним пристроєм, який дозволяє реєструвати випромінювання молекул космічних газових субстанцій на радіаційних переходах в субміліметровому діапазоні довжин хвиль (від одиниць мм до 300 мкм) від джерел, бо розташованих на небесній сфері в широкому діапазоні кутів місця.

Поставлена задача вирішується тим, що радіотелескоп субміліметрового діапазону довжин хвиль з альт-азимутальним поворотним пристроєм, який складається з головного параболічного дзеркала і гіперболічного контррефлектора, двох дзеркал кутомісцевої осі телескопа, друге з яких лежить також і на азимутальній осі телескопа, калібрувальних джерел, висувних дзеркал калібрувальних джерел, які переміщуються в площині, перпендикулярній азимутальній осі телескопа, високочутгливого приймального пристрою, згідно з корисною моделлю, головне параболічне дзеркало виконано у вигляді вісесиметричної антени з фокусною відстанню 86621,5 мм, гіперболічний контррефлектор виконаний у вигляді опуклої вісесиметричної поверхні діаметром 200:2 мм і радіусом кривизни 18020,5 мм, одне дзеркало кутомісцевої осі телескопа виконано у вигляді офсетного параболічного дзеркала діаметром 100-їмм з фокусною відстанню 185:20,5мм, друге дзеркало кутомісцевої осі телескопа - у вигляді плоского дзеркала діаметром 100жі1мм, висувні дзеркала калібрувальних джерел виконані у вигляді офсетних параболічних дзеркал діаметром 11Ожімм з фокусною відстанню 185:50,5мм, додатково містить високочутгливий приймальний пристрій і поворотне офсетне параболічне дзеркало азимутальної осі телескопу діаметром 120ж1мм з фокусною відстанню 185:20,5мм, при цьому середньоквадратичне відхилення виготовлення всіх дзеркальних поверхонь від заданого значення становить 20-50 мкм.

Вимоги до якості виготовлення дзеркальних антен визначаються відомим співвідношенням

ІВиг2е у. Апієппа Юіегапсе ІПеогу-а гемієму. // Ргос. ІЕЕБЕ. - 1966. - М. 54, Мо. 4. - Р.633-640.|: й 2 5 -юоехр - п-3 4ло -, де

З - ефективна площа поверхні антени,

Зо - площа апертури антени,

А - робоча довжина хвилі, б - середньоквадратичне відхилення (СКВ) поверхні антени від заданої.

Виходячи з цієї вимоги, всі поверхні дзеркальних антен виготовляють з СКВ 20-50 мкм, що дозволяє використовувати радіотелескоп в діапазоні довжин хвиль до 300 мкм. СКВ більш 50 мкм не дозволяє радіотелескопу ефективно працювати в субміліметровому діапазоні довжин хвиль. А СКВ менш 20 мкм істотно збільшує затрати на виготовлення дзеркальних поверхонь.

Виконання головного параболічного дзеркала у вигляді вісесиметричної антени дозволяє

Зо забезпечити радіотелескопу огляд в діапазоні 07-3607 по азимуту і 07-90? по куту місця. При цьому, фокусна відстань головного дзеркала складає 866б:1,5 мм, що зумовлено формою параболічної поверхні головного дзеркала і відхилення від нього в ту чи іншу сторону свідчить про помилки при виготовленні поверхні дзеркала і призводить до зменшення рівня сигналу, що приймається. Даний параметр дозволяє використовувати контррефлектор у вигляді опуклої вісесиметричної поверхні діаметром 20032 мм, що забезпечує затінення центральної частини головного дзеркала не більше 1 95 його площі.

Відхилення діаметра контррефлектора від розрахункового в більшу сторону призводить до збільшення затінення центральної частини головного дзеркала і зменшення рівня прийнятого сигналу на виході антенної системи, а зменшення діаметра контррефлектора викликає ефект переливу потоку випромінювання від головного дзеркала за края контррефлектора і, в кінцевому підсумку, також призводить до зменшення рівня сигналу на виході антенної системи.

Кривизна поверхні гіперболічного контррефлектора (ексцентриситет е-1,5 і радіус кривизни при вершині 180:20,5 мм) дозволяє отримати фокус головної антенної системи радіотелескопа у поверхні головного параболічного дзеркала (див. точку Е2 на фіг.2). Це дозволяє розміщувати дзеркала кутомісцевої осі телескопа позаду головної антенної системи радіотелескопа.

Відхилення розрахункового значення радіуса кривизни контррефлектора в ту чи іншу сторону від граничних значень призведе до зміщення точки фокуса головної антенної системи (див. точку Е2 на фіг.2) і разфокусування дзеркал кутомісцевої осі телескопа (див. позиції МЗ і М4 на фіг.2) з неможливістю їх подальшої настройки без внесення змін у конструкцію і, в кінцевому рахунку, до зменшення рівня сигналу, що приймається.

Офсетне параболічне дзеркало кутомісцевої осі телескопа з фокусною відстанню 185:0,5 мм дозволяє розмістити його на кутомісцевій осі радіотелескопу таким чином, що його фокус збігається з фокусом головної антенної системи (див. точку ЕЗ на фіг.2). Відхилення значення фокусної відстані від розрахункового в ту чи іншу сторону від граничних значень призводить до разфокусування всієї оптичної системи радіотелескопу і зниження рівня прийнятих сигналів.

Друге плоске дзеркало кутомісцевої осі телескопа діаметром 100:1мм (яке розташоване одночасно також на азимутальній осі телескопу) перенаправляє прийнятий сигнальний потік вздовж азимутальної осі до технічного контейнера (див. поз. 8 на фіг. 1) та запобігає викривленню потоку променів, сформованого офсетним параболічним дзеркалом кутомісцевої осі телескопа.

Діаметр дзеркал кутомісцевої осі телескопу 100ж541мм обумовлено тим, що нижня границя приймаючого частотного діапазону визначається розміром цих дзеркал, які утворюють квазіоптичну дзеркальну лінію передачі і визначається з співвідношення: 4 » 30

А «де а - діаметр антени.

А - верхня границя робочого діапазону довжин хвиль. Діаметр дзеркал кутомісцевої осі радіотелескопу обумовлений не тільки розрахунками, які визначають мінімальний можливий діаметр, але і конструктивними особливостями альт-азимутального поворотного пристрою з метою забезпечити одночасну жорсткість конструкції і можливість юстирування дзеркал між собою. При збільшенні діаметрів дзеркал кутомісцевої осі радіотелескопу виникають конструктивні складності з їх розміщенням на опорно-поворотному пристрої.

Висувні дзеркала калібрувальних джерел діаметром 110жімм забезпечують надійне перекриття потоку випромінювання головної антенної системи під час калібрування радіотелескопу і при відхиленні даного параметра в меншу сторону з'являється ймовірність неповного перекриття проміневоду і змішування сигналу калібрувального джерела з прийнятим сигналом головної антенної системи, збільшення діаметра дзеркал призводить до обваження конструкції і конструктивним складнощам.

Фокусна відстань висувних дзеркал калібрувальних джерел 185-50,5мм дозволяє оптимально розмістити калібрувальні джерела в контейнері для обладнання і здешевити процес виготовлення за рахунок уніфікації комплектуючих складових. Збільшення фокусної відстані призведе до того, що калібрувальні джерела не вписуються в габарити технологічного контейнера, а його зменшення - до нестачі відстані для вільного ходу дзеркал.

Додаткове поворотне офсетне параболічне дзеркало азимутальної осі телескопа з діаметром 120ж-іїмм і фокусною відстанню 185:50,5мм забезпечує перенаправлення випромінювання, що приймається на обраний приймач. Збільшення фокусної відстані призводить до конструктивних складнощів з розміщенням приймачів в межах габаритів технічного контейнера, а зменшення фокусної відстані призводить до розфокусування цієї

Зо ділянки проміневода і зниження рівня сигналу на вході приймача.

Діаметр додаткового поворотного офсетного параболічного дзеркала азимутальної осі телескопа 120141мм дозволяє компенсувати неточності в юстируванні дзеркал кутомісцевої осі і дзеркал калібрувальних джерел. Збільшення діаметра дзеркала призводить до конструктивних складнощів, а його зменшення - до зниження рівня сигналу на вході приймача.

Застосування додаткового приймального пристрою дозволяє розширити коло завдань, що вирішуються радіотелескопом. Наприклад, здійснювати одночасне спостереження двох різних молекул, спостереження однієї молекули, але на різних радіаційних переходах, розташованих на різних частотах або спостереження одного джерела випромінювання з різною поляризацією сигналу.

На фіг. 1 наведено загальну конструкцію радіотелескопу, де 1 - головне параболічне дзеркало; 2 - контррефлектор гіперболічного типу; З - механізм приводу головної антенної системи по куту місця; 4 - механізм приводу головної антенної системи по азимуту; 5 - поворотне позаосьове параболічне дзеркало; б - поворотне допоміжне плоске дзеркало; 7 - юстировочні контейнери для дзеркал 5 і 6; 8 - контейнер технічний нерухомий для устаткування; 9 - висувне позаосьове параболічне дзеркало холодного калібрувального джерела; 10 - висувне позаосьове параболічне дзеркало теплого калібрувального джерела; 11 - холодне калібрувальне джерело; 12 - тепле калібрувальне джерело; 13 - нижнє поворотне позаосьове параболічне дзеркало; 14, 15 - високочутливі приймальні системи, яких передбачається декілька; 16 - балансувальний противажіль головної антенної системи.

На фіг.2 наведено схему оптичної системи радіотелескопу, де М1 - головне параболічне дзеркало; М2 - контррефлектор гіперболічного типу; Е71 - фокус головного параболічного дзеркала; Б2 - фокус головної антенної системи; МЗ - поворотне позаосьове параболічне дзеркало; М4 - поворотне допоміжне плоске дзеркало; Мб - висувне позаосьове параболічне дзеркало холодного калібрувального джерела; М7 - висувне позаосьове параболічне дзеркало теплого калібрувального джерела; Сі - холодне калібрувальне джерело; Ні - тепле калібрувальне джерело; М5 - нижнє поворотне позаосьове параболічне дзеркало; Кес1, Кесаг - високочутливі приймальні системи, яких передбачається декілька; ЕЗ - головний фокус оптичної системи телескопу при роботі з приймачем Кес1; 4 - головний фокус оптичної системи телескопу при роботі з приймачем Кесг.

Радіотелескоп складається з головної антенної системи, побудованої за типом симетричної кассегренівської антени, що включає елементи (див. фіг. 1) - головне параболічне дзеркало 1 і контррефлектор 2. Головна антенна система кріпиться до альт-азимутального поворотного пристрою, основу якого складають механізм приводу головної антенної системи по куту місця З і механізм приводу головної антенної системи по азимуту 4, а також юстировочні контейнери 7 для дзеркал 5 и 6 і балансувальний противажіль головної антенної системи 16.

Альт-азимутальний поворотний пристрій дозволяє відстежувати головній антенній системі джерела космічного випромінювання, які спостерігаються, при їх русі по небесній сфері.

Приймальне і калібрувальне обладнання розміщується в технічному контейнері 8.

Калібрувальне обладнання складається з висувного позаосьового параболічного дзеркала холодного калібрувального джерела 9, висувного позаосьового параболічного дзеркала теплого калібрувального джерела 10, холодного калібрувального джерела 11, теплого калібрувального джерела 12. До приймального устаткування відносяться нижнє поворотне позаосьове параболічне дзеркало 13, високочутливі приймальні системи для рішення різних задач одночасно 14 та 15.

Роботу пристрою здійснюють наступним чином.

Випромінювання спостережуваного космічного джерела збирається параболічним головним дзеркалом МІ! і перевідбивається у вигляді пучка, що сходиться в його фокус Е1 (див. фіг.2).

Промені у вигляді пучка, що сходиться у фокусі дзеркала МІ, зустрівши на своєму шляху гіперболічну поверхню контррефлектора М2, відбиваються від нього і збираються в точці фокусу головної антенної системи Е2 (див. фіг.2).

Система дзеркал М3, М4, М5 дозволяє перекинути проміжний фокус Е2, рухомої антенної системи радіотелескопу в нерухому точку ЕЗ або Е4 (в залежності від положення дзеркала М5), де розташовуються рупорні антени приймачів Кес1 і Кес2 відповідно. Для цього, параболічне дзеркало М3 розташоване таким чином, що фокус його поверхні збігається з фокусом головної антенної системи (точка Б2 на фіг.2), а обертальна вісь співпадає з кутомісцевою вісю телескопу і, з огляду на властивості офсетної параболічної поверхні, перевідбиває паралельний пучок випромінювання під кутом 90", в напрямку плоского дзеркала МА.

Перевідбитий від дзеркала М4 прямий пучок випромінювання, що приймається від

Зо космічного джерела, направляється в технічне приміщення з високочутливими приймачами. За допомогою позаосьового параболічного дзеркала М5, здійснюється зворотне перетворення прямого пучка випромінювання, що приймається, в сходиме і направляється в приймальний рупор обраного приймача Кес!1 або Кесг (див. фіг.2).

Оскільки технологія радіоастрономічних спостережень передбачає систематичне виконання калібрування приймача за допомогою високостабільних температурних джерел еталонного радіовипромінювання, то в технологічному контейнері 8 (див. фіг. 1) монтуються джерела холодного Сі і теплого НІ радіовипромінювання (див. фіг.2), випромінювання від яких, за допомогою рухомих дзеркал Мб і М7 передаються на вхід приймача, шляхом перекриття проміневоду відповідним дзеркалом.

Запропонований радіотелескоп має різноманітне застосування при проведенні астрономічних спостережень. Так, загальний розподіл молекулярного газу в областях зореутворення вивчають по лініях молекули окису вуглецю СО. Залежно від установленого приймача, можна спостерігати різні радіочастотні лінії окису вуглецю на частотах 115 ГГц, 219

ГГц, 230 ГГц.

Лінію молекули Н2О можна спостерігати на частоті 183 ГГц, а лінію оксиду азоту МО можна спостерігати на частоті 250 ГГц.

Альтернативне застосування телескопа можливе для проведення аерономних спостережень ліній малих газових складових атмосфери Землі таких, як СО (окис вуглецю), Оз (озон), СІО (окис хлору).

Таким чином, конструкція, що заявляється, дозволяє побудувати радіотелескоп для вирішення завдань реєстрації випромінювання молекул космічних газових субстанцій на радіаційних переходах в субміліметровому діапазоні довжин хвиль.

При розробці пристрою радіотелескопу авторами була використана запропонована раніше в

РІНАНУ технологія виготовлення поверхні параболічних дзеркал з середньоквадратичнім відхиленням від заданого значення до 20 мкм (патенти України на Корисні моделі Ме132843 та

Мо144862), що дозволяє користуватися пристроєм в діапазоні довжин хвиль до 300 мкм.

Запропонована конструкція радіотелескопу може бути корисна при будівництві оглядових субміліметрових радіотелескопів малих розмірів, в тому числі і мобільних.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Радіотелескоп субміліметрового діапазону довжин хвиль з альт-азимутальним поворотним пристроєм, який складається з головного параболічного дзеркала і гіперболічного контррефлектора, двох дзеркал кутомісцевої осі телескопа, друге з яких лежить також їі на азимутальній осі телескопа, калібрувальних джерел, висувних дзеркал калібрувальних джерел, які переміщуються в площині, перпендикулярній азимутальній осі телескопа, високочутливого приймального пристрою, який відрізняється тим, що головне параболічне дзеркало виконано у вигляді вісесиметричної антени з фокусною відстанню 866бж1,5 мм, гіперболічний контррефлектор виконаний у вигляді опуклої вісесиметричної поверхні діаметром 20052 мм і радіусом кривизни 18020,5 мм, одне дзеркало кутомісцевої осі телескопа виконано у вигляді офсетного параболічного дзеркала діаметром 10051 мм з фокусною відстанню 185:20,5 мм, друге дзеркало кутомісцевої осі телескопа - у вигляді плоского дзеркала діаметром 100-241 мм, висувні дзеркала калібрувальних джерел виконані у вигляді офсетних параболічних дзеркал діаметром 110241 мм з фокусною відстанню 185:20,5 мм, додатково містить високочутливий приймальний пристрій і поворотне офсетне параболічне дзеркало азимутальної осі телескопа діаметром 120241 мм з фокусною відстанню 185:20,5 мм, при цьому середньоквадратичне відхилення виготовлення всіх дзеркальних поверхонь від заданого значення становить 20-50

   МКМ.