基于磁場(chǎng)調(diào)控的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了基于磁場(chǎng)調(diào)控的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)，涉及天文學(xué)探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)頻段是現(xiàn)代天文學(xué)最后一個(gè)有待全面研究的電磁波頻段，是繼紅外和毫米波頻段之后21世紀(jì)人類探測(cè)宇宙最新發(fā)展的、其它頻段不可替代的觀測(cè)窗口。太赫茲頻段存在豐富分子轉(zhuǎn)動(dòng)譜線和精細(xì)結(jié)構(gòu)原子譜線，對(duì)這些分子和原子譜線進(jìn)行高分辨率觀測(cè)可以研究天體物體的化學(xué)性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。太赫茲頻段分子轉(zhuǎn)動(dòng)譜線和精細(xì)結(jié)構(gòu)原子譜線高分辨率觀測(cè)對(duì)于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系統(tǒng)形成等具有非常重要的意義，在天體物理及宇宙學(xué)研究中具有不可替代的作用。
[0003]由于宇宙天文信號(hào)通常非常微弱，天文分子和原子譜線高分辨率觀測(cè)需要高靈敏度和高穩(wěn)定度相干探測(cè)器系統(tǒng)。目前靈敏度最高的相干探測(cè)器系統(tǒng)是超導(dǎo)相干探測(cè)器系統(tǒng)，其主要核心部件為超導(dǎo)外差混頻器。在太赫茲頻段，主要應(yīng)用超導(dǎo)外差混頻器有基于低溫超導(dǎo)體(如Nb和NbN)的超導(dǎo)隧道結(jié)(Superconductor Insulator Superconductor，簡稱SIS)混頻器和超導(dǎo)熱電子(Hot Electron Bolometer，簡稱HEB)混頻器，兩者靈敏度均可達(dá)幾倍(甚至接近)量子極限，滿足實(shí)際天文分子和原子譜線高分辨率觀測(cè)需求。
[0004]在穩(wěn)定性方面，超導(dǎo)隧道結(jié)相干探測(cè)器系統(tǒng)和超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)均未展現(xiàn)出強(qiáng)抗干擾特性，兩者工作狀態(tài)均易受外界因素(如空氣擾動(dòng)，溫度波動(dòng)和電磁干擾等)影響。另外，超導(dǎo)外差混頻器需要工作于液氦溫區(qū)，由于液氦資源稀缺，超導(dǎo)外差混頻器工作越來越需要依賴4K閉循環(huán)制冷機(jī)，而4K閉循環(huán)制冷機(jī)的機(jī)械振動(dòng)和溫度波動(dòng)進(jìn)一步惡化了超導(dǎo)隧道結(jié)相干探測(cè)器系統(tǒng)和超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。目前實(shí)測(cè)太赫茲超導(dǎo)隧道結(jié)相干探測(cè)器探測(cè)器系統(tǒng)總功率Allan Variance時(shí)間約為幾秒，太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)總功率Allan Variance時(shí)間僅為I秒，均難以滿足實(shí)際天文觀測(cè)長時(shí)間積分需求。
[0005]為此，歐美等發(fā)達(dá)國家各研究小組正積極開展太赫茲超導(dǎo)相干探測(cè)器系統(tǒng)(尤其是太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng))穩(wěn)定性研究。太赫茲超導(dǎo)相干探測(cè)器系統(tǒng)核心部件為超導(dǎo)外差混頻器，其阻抗特性可通過本振參考信號(hào)、低頻微波信號(hào)、外加磁場(chǎng)以及工作溫度等進(jìn)行調(diào)控。如果超導(dǎo)外差混頻器恒壓偏置，其工作電流即可通過本振參考信號(hào)、低頻微波信號(hào)、外加磁場(chǎng)以及工作溫度等改變?；谏鲜稣{(diào)控方法，歐美等發(fā)達(dá)國家各研究小組實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)，主要包括:(I)瑞典Chalmers理工大學(xué)實(shí)現(xiàn)了基于平衡混頻器的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)。該太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)利用平衡混頻器有效抑制了本振參考信號(hào)波動(dòng)，有效改善了太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，但其需要兩個(gè)超導(dǎo)熱電子混頻器，并對(duì)兩個(gè)超導(dǎo)熱電子混頻器一致性具有較高要求。(2)美國哈佛史密松天體物理中心Edward Tong等實(shí)現(xiàn)了注入低頻微波信號(hào)的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)。該太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)是利用超導(dǎo)熱電子混頻器中頻端微波環(huán)形器給超導(dǎo)熱電子混頻器注入低頻微波信號(hào)，并依據(jù)超導(dǎo)熱電子混頻器工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控注入低頻微波信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)。注入低頻微波信號(hào)方法雖然簡單，但其在超導(dǎo)熱電子混頻器中頻端引入了微波環(huán)形器，其會(huì)給中頻信號(hào)傳輸帶來插損。(3)SR0N/TUDelft研究小組實(shí)現(xiàn)了基于本振功率反饋法的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)。該太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)是利用音圈電機(jī)(Voice Coil)作為快速可調(diào)衰減器，通過實(shí)時(shí)調(diào)控本振參考信號(hào)穩(wěn)定超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)。目前，該研究小組已將太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)總功率Allan Variance時(shí)間有效提高至30秒(中頻帶寬為16MHz)，但其不足之處在于音圈電機(jī)不能工作于真空低溫環(huán)境，如果本振參考信號(hào)源被集成于真空杜瓦內(nèi)，音圈電機(jī)將無法使用。綜上所述，歐美等發(fā)達(dá)國家各研究小組已通過采用各種不同方法實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)，但這些高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)均存在一些不足或應(yīng)用限制。因此，亟需開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、靈敏度高且易于實(shí)際應(yīng)用的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供基于磁場(chǎng)調(diào)控的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)，引入磁場(chǎng)調(diào)控單元(由超導(dǎo)Nb或者NbTi線圈構(gòu)成)和PID(Proport1nal Integral Derivative)控制器，利用PID控制器實(shí)時(shí)監(jiān)視超導(dǎo)熱電子混頻器工作電流，并與目標(biāo)值比較。如果超導(dǎo)熱電子混頻器工作電流受外界因素干擾出現(xiàn)偏差，PID控制器將通過精確控制磁場(chǎng)調(diào)控單元中超導(dǎo)Nb或者NbTi線圈電流，改變施加至超導(dǎo)熱電子混頻器磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變超導(dǎo)熱電子混頻器阻抗特性，穩(wěn)定超導(dǎo)熱電子混頻器工作電流。本發(fā)明對(duì)超導(dǎo)熱電子混頻器無特殊要求，熱電子混頻器工作電流改變幾個(gè)微安僅需磁場(chǎng)調(diào)控單元提供kG磁場(chǎng)，磁場(chǎng)調(diào)控單元中超導(dǎo)Nb或者NbTi線圈可與超導(dǎo)熱電子混頻器固定基座集成，結(jié)構(gòu)簡潔緊湊。另外，引入磁場(chǎng)調(diào)控單元不會(huì)影響太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)性能，無任何應(yīng)用限制。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種基于磁場(chǎng)調(diào)控的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)，包括束波分離器、本振參考源、控制器、混頻器直流偏置源、常溫中頻放大單元和頻譜儀，還包括設(shè)置于真空杜瓦內(nèi)的超導(dǎo)熱電子混頻器、磁場(chǎng)調(diào)控單元以及低溫中頻放大單元；
[0009]所述束波分離器接收被探測(cè)信號(hào)，并分別與本振參考源、超導(dǎo)熱電子混頻器相連接;超導(dǎo)熱電子混頻器相連接分別與低溫中頻放大單元、混頻器直流偏置源、磁場(chǎng)調(diào)控單元相連;所述控制器分別與磁場(chǎng)調(diào)控單元、混頻器直流偏置源相連接;所述低溫中頻放大單元還與常溫中頻放大單元相連接，常溫中頻放大單元與頻譜儀相連接。
[0010]磁場(chǎng)調(diào)控單元，其可產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，用于調(diào)控超導(dǎo)熱電子混頻器偏置電流；
[0011]控制器，用于監(jiān)視超導(dǎo)熱電子混頻器工作電流，精確控制磁場(chǎng)調(diào)控單元施加至超導(dǎo)熱電子混頻器磁場(chǎng)強(qiáng)度，控制器輸入端與混頻器直流偏置源電連接，控制器輸出端與磁場(chǎng)調(diào)控單元輸入端電連接；
[0012]超導(dǎo)熱電子混頻器，用于對(duì)被探測(cè)信號(hào)進(jìn)行變頻操作，所述本振參考信號(hào)源所產(chǎn)生信號(hào)和被探測(cè)信號(hào)分別輸入波束分離器，經(jīng)耦合操作后由波束分離器輸出并輸入到所述超導(dǎo)熱電子混頻器的輸入端，混頻器直流偏置源和超導(dǎo)熱電子混頻器電連接，用于向超導(dǎo)熱電子混頻器提供直流偏置；
[0013]低溫中頻放大單元，用于放大超導(dǎo)熱電子混頻器輸出的中頻信號(hào)，低溫中頻放大單元輸入端和超導(dǎo)熱電子混頻器輸出端電連接；
[0014]常溫中頻放大單元，用于放大低溫中頻放大單元輸出中頻信號(hào)，常溫中頻放大單元輸入端和低溫中頻放大單元輸出端電連接；
[0015]頻譜儀，用于信號(hào)頻譜分析，頻譜儀輸入端和常溫中頻放大單元輸出端電連接；
[0016]本發(fā)明在應(yīng)用中，還有如下進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案。
[00?7] 進(jìn)一步地，所述磁場(chǎng)調(diào)控單元由超導(dǎo)Nb或者NbTi線圈構(gòu)成。
[0018]進(jìn)一步地，所述控制器為PID控制器。
[0019]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于磁場(chǎng)調(diào)控的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)，與基于平衡混頻器的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)相比，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定太赫茲超導(dǎo)熱電子相干探測(cè)器系統(tǒng)只需要單個(gè)超導(dǎo)熱電子混頻器，