專利名稱：毫米波多像元制冷接收機(jī)杜瓦的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種杜瓦，特別是一種兼用于減少熱輻射和進(jìn)行波束變換的毫米波段 低溫制冷多波束接收機(jī)杜瓦。
背景技術(shù)：
具有空間成像能力的多像元探測(cè)技術(shù)不但在光學(xué)、紅外頻段被廣泛應(yīng)用(比如CXD 相機(jī))，而且在波長更長的微波、毫米波、亞毫米波領(lǐng)域也逐步取代單像元技術(shù)，成為提高探 測(cè)效率的主要手段。靈敏的探測(cè)器需要工作在低溫環(huán)境下，以減小探測(cè)器本身的熱噪聲。由于其工作 于極低的溫度(例如超導(dǎo)探測(cè)器通常工作于小于4K的環(huán)境)，這些探測(cè)器的噪聲性能遠(yuǎn)好于 常溫工作的探測(cè)器，成為先進(jìn)的射電天文望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的核心器件。探測(cè)器所需要的極低 溫度條件通常由杜瓦和制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)。杜瓦將探測(cè)器與外界進(jìn)行熱隔離，使外部的熱量難以 進(jìn)入。然而，由于(1)探測(cè)器需要與外部進(jìn)行信號(hào)交換(包括被探測(cè)信號(hào)的輸入以及捕獲并 放大的信號(hào)輸出)、(2)探測(cè)器及其輔助電路需要外部供電以及(3)探測(cè)器所在低溫結(jié)構(gòu)需 要機(jī)械支撐的原因，無法避免熱量經(jīng)由這些路徑進(jìn)入探測(cè)器所在低溫環(huán)境使探測(cè)器溫度上 升。而制冷機(jī)的功能就是將探測(cè)器及輔助電路產(chǎn)生的熱量以及外部進(jìn)入的熱量連續(xù)地排 出，以保持低溫和溫度恒定。杜瓦通常由真空腔以及一個(gè)或多個(gè)冷屏構(gòu)成，冷屏的溫度介于低溫冷級(jí)和常溫之 間。其作用是使外界的熱輻射不能直接進(jìn)入低溫冷級(jí)，而將大部分熱輻射在冷屏上被阻隔。 冷屏和真空腔上開設(shè)窗口，使被探測(cè)信號(hào)可以到達(dá)探測(cè)器。單像元探測(cè)器由于信號(hào)窗口面 積小、支撐結(jié)構(gòu)簡單、偏置引線少以及產(chǎn)生的熱量小的原因，對(duì)杜瓦和制冷機(jī)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(jìn)入的輻射熱同 時(shí)避免對(duì)被探測(cè)信號(hào)造成明顯衰減。接收機(jī)信號(hào)通路上所必須的一些準(zhǔn)光學(xué)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(jié)構(gòu)簡單，對(duì)信號(hào) 的衰減小，而且制冷機(jī)通常能夠提供足夠的制冷功率使探測(cè)器保持在工作溫度。相比之下，多像元探測(cè)器會(huì)產(chǎn)生以及由外界傳入更多的熱量，而制冷機(jī)的制冷功 率通常是非常有限的。這個(gè)矛盾對(duì)多像元接收機(jī)杜瓦的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。在毫米波多像 元探測(cè)器應(yīng)用中，出現(xiàn)了兩種設(shè)計(jì)方法。一種是沿用單像元技術(shù)，將光學(xué)元件放置在杜 瓦外部，處于常溫，而冷屏上開設(shè)多個(gè)窗口，每一個(gè)窗口對(duì)應(yīng)一個(gè)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(qiáng)大的制冷機(jī)，例如此例中使用了大功率的JT制冷機(jī)，在4K時(shí)的制冷功率高達(dá)3. 51 這種大功率制冷機(jī)由于電力供應(yīng)、重量、操作以及費(fèi)用上的要求都是非常高的。另一種方法 是將光學(xué)元件放置在杜瓦內(nèi)，使用準(zhǔn)光學(xué)元件對(duì)多個(gè)像元的波束進(jìn)行變換，使得冷屏處波 束尺寸最小。在冷屏上開設(shè)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?？梢钥闯?，這 種方法中冷屏上的窗口尺寸并不是由單個(gè)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。由于使用了大型窗口，即便在窗口上應(yīng)用了較厚的隔熱材料，也會(huì)由于窗口 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 的制冷設(shè)備，例如此例中使用了兩臺(tái)制冷機(jī)來達(dá)到所需要的工作溫度。在射電天文應(yīng)用中，射電天文望遠(yuǎn)鏡站址常處于高山、荒漠等極端條件下，電力和 維護(hù)都比較困難。因此已有的方案不能適應(yīng)毫米波段多像元制冷接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求。 需要一種新的杜瓦冷屏結(jié)構(gòu)，使得能夠在不損失接收機(jī)探測(cè)靈敏度的前提下減小對(duì)制冷功 率的需求。

發(fā)明內(nèi)容
已有的毫米波段多像元制冷接收機(jī)杜瓦冷屏不能有效阻隔由窗口進(jìn)入的熱輻射， 因而必須使用大功率的制冷機(jī)或采用多臺(tái)制冷機(jī)同時(shí)制冷。這一約束對(duì)毫米波段多像元制 冷機(jī)的應(yīng)用造成了嚴(yán)重障礙。為了克服已有的毫米波段多像元制冷接收機(jī)杜瓦冷屏設(shè)計(jì)對(duì) 制冷功率要求過高的問題，本發(fā)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(shí)不影響接收機(jī)靈敏度，因而降低了對(duì)制冷機(jī)制冷功率的需求。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，包括真空腔和設(shè)在真 空腔內(nèi)的冷屏，所述冷屏上設(shè)多個(gè)圓形窗口，圓形窗口與設(shè)在冷屏內(nèi)的探測(cè)器位置對(duì)應(yīng)；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(zhì)透鏡，介質(zhì)透 鏡邊緣固定在冷屏上表面。本發(fā)明中，杜瓦冷屏上采用獨(dú)立的窗口可以最大幅度地減小總的窗口面積，進(jìn)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?cái)鄬?duì)波束形狀的影 響。在窗口上放置并壓緊具有一定厚度的介質(zhì)透鏡，使透鏡與冷屏有良好的熱接觸。介質(zhì)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(gè)有效的紅外吸收體， 將外來的熱輻射充分吸收。由于介質(zhì)透鏡具有相當(dāng)?shù)暮穸?，同時(shí)獨(dú)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 后，其溫度也能夠與冷屏的溫度保持接近。由于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(duì)探測(cè)器的二次熱輻射。透鏡的第二個(gè)功能是對(duì)波束進(jìn) 行變換，使得焦平面由探測(cè)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，所以允許真空腔上的窗口具有盡量小的尺寸，這樣有利于真空窗口的密封。所述介質(zhì)透鏡為雙突的介質(zhì)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、高純硅等，具有兩個(gè)球 冠以及加厚層，使得透鏡有足夠的導(dǎo)熱截面。為了進(jìn)一步減小到達(dá)探測(cè)器的熱輻射，介質(zhì)透鏡的上部還設(shè)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(huán)形蓋板固定在透鏡固定框上面。在透鏡固定 框上表面和環(huán)形蓋板下表面分別設(shè)有相對(duì)應(yīng)的凹槽和凸棱，更好地固定和拉直薄膜。該薄 膜對(duì)毫米波幾乎沒有損耗，但具有較好的紅外吸收性能。由于這層膜較薄，所以不能有效冷 卻，但對(duì)阻斷紅外輻射具有輔助的效果。
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本項(xiàng)發(fā)明的有益效果是毫米波制冷接收機(jī)杜瓦冷屏獨(dú)立窗口上的厚介質(zhì)透鏡 可以有效阻擋外界的熱輻射，使通過窗口到達(dá)低溫探測(cè)器的熱輻射總量減小兩個(gè)量級(jí)，即 達(dá)到自由輻射的百分之一。透鏡上部的紅外吸收膜還可以進(jìn)一步減小熱輻射。由于窗口熱 輻射是毫米波多像元制冷接收機(jī)的主要熱負(fù)載，因此這一設(shè)計(jì)極大減小了對(duì)制冷機(jī)制冷功 率的要求，使得小型制冷機(jī)得以應(yīng)用于毫米波多像元接收機(jī)系統(tǒng)中。


圖1本發(fā)明實(shí)施例1中9像元接收機(jī)杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明實(shí)施例1中9像元接收機(jī)杜瓦冷屏結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3本發(fā)明實(shí)施例1中冷屏窗口結(jié)構(gòu)示意圖4本發(fā)明實(shí)施例1中冷屏窗口外形結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5本發(fā)明實(shí)施例1中紅外吸收膜固定蓋板結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1
如圖1所示，毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，包括真空腔1和設(shè)在真空腔內(nèi)的冷屏2，9像元 毫米波制冷接收機(jī)的9個(gè)探測(cè)器構(gòu)成的陣列位于4K冷級(jí)3上，在4K冷級(jí)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(nèi)外表面拋光并電鍍鉻，以減少發(fā)射率。冷 屏的頂部開有9個(gè)獨(dú)立的圓形窗口 10，見圖2，每個(gè)圓形窗口與一個(gè)探測(cè)器相對(duì)應(yīng)。窗口的 直徑等于探測(cè)器波束在冷屏窗口位置的_30dB邊緣錐削，使得窗口對(duì)波束的遮擋限制在允 許的范圍，使被探測(cè)毫米波信號(hào)可以幾乎無遮擋地穿過這些窗口，到達(dá)探測(cè)器。9個(gè)圓形窗口具有相同的結(jié)構(gòu)，其中任意一個(gè)窗口的結(jié)構(gòu)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(gè)球冠以及一段數(shù)毫米厚的加厚層，使得 透鏡有足夠的導(dǎo)熱截面。透鏡的邊緣留有與冷屏的接觸面，通過鋁制的透鏡固定框15和8 個(gè)螺釘固定在冷板上。螺絲上緊時(shí)對(duì)透鏡產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，使透鏡與冷板緊密接觸，以減 小熱阻。由于透鏡和冷板之間較小的熱阻，以及透鏡本身具有較大的導(dǎo)熱截面，因此透鏡上 吸收的輻射熱能夠及時(shí)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(cè)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 于輔助的紅外輻射遮擋。薄膜上的鋁制蓋板18以及4個(gè)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(shè)有一個(gè)與窗口同心的凹槽16，而在蓋板18上設(shè)有 一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的棱狀突出19，見圖4。這個(gè)結(jié)構(gòu)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(duì)毫米波信號(hào)的影響。
權(quán)利要求
1.毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，包括真空腔和設(shè)在真空腔內(nèi)的冷屏，其特征是，所述冷屏 上設(shè)多個(gè)圓形窗口，圓形窗口與設(shè)在冷屏內(nèi)的探測(cè)器位置對(duì)應(yīng)；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(zhì)透鏡，介質(zhì)透鏡邊緣固定在冷屏上表
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，其特征是，所述介質(zhì)透鏡為雙突 的聚四氟乙烯透鏡，具有兩個(gè)球冠以及加厚層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，其特征是，所述介質(zhì)透鏡的上部 還設(shè)有一層多孔的聚四氟乙烯薄膜，膜厚度為幾百微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，其特征是，所述圓形窗口的直徑 等于探測(cè)器波束在所述窗口位置的_30dB邊緣錐削。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，其特征是，所述聚四氟乙烯薄膜 通過環(huán)形蓋板固定在透鏡固定框上面，在透鏡固定框上表面和環(huán)形蓋板下表面分別設(shè)有相 對(duì)應(yīng)的凹槽和凸棱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，該杜瓦的冷屏可以使熱輻射被有效阻隔，同時(shí)不影響接收機(jī)靈敏度，因而降低了對(duì)制冷機(jī)制冷功率的需求。毫米波多像元接收機(jī)杜瓦，包括真空腔和設(shè)在真空腔內(nèi)的冷屏，所述冷屏上設(shè)多個(gè)圓形窗口，圓形窗口與設(shè)在冷屏內(nèi)的探測(cè)器位置對(duì)應(yīng)；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(zhì)透鏡，介質(zhì)透鏡邊緣固定在冷屏上表面。
文檔編號(hào)G01J5/02GK102004001SQ20101050997
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者單文磊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)