Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Высокочувствительные криоэлектронные S/X радиометры для астрометрических и геодинамических РСДБ-исследований
Общая характеристика работы
Настоящая работа посвящена обобщению результатов исследований по разработке и применению высокочувствительных криоэлектронных S/X радиометров для астрометрических и геодинамических наблюдений методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Исследования проводились автором в период с 1982 г. по 1995 г. В результате этих работ были созданы малошумящие приемные устройства диапазонов 13 см и 3,5 см, проведены наблюдения на действующих антеннах и получены новые геодинамические данные.
Актуальность темы
Современное развитие радиоастрономии в значительной степени направлено на совершенствование аппаратуры и методики радиоинтерферометрических наблюдений, которые позволяют решать многие научные и народнохозяйственные задачи. Астрометрия, геодинамика, геофизика, небесная механика, радиофизика, астрофизика, общая теория относительности, метрология, астронавигация космических аппаратов, военно-прикладные задачи - вот далеко не полный перечень отраслей науки и техники, в которых используются результаты радиоинтерферометрических наблюдений.
Из множества достижений в астрометрии и геодинамике наиболее впечатляющие результаты получены в последнее время методом РСДБ. Это объясняется использованием современных научных технологий. Наиболее важными, на наш взгляд, являются высокоточные измерения положений радиоисточников в космическом пространстве и положений опорных точек земной поверхности. Небесная опорная система координат фиксируется несколькими сотнями компактных радиоисточников, расположенных, как правило, в ядрах галактик. Средняя точность такой системы ~1 миллисекунды дуги. Поскольку подобная оптическая опорная система для нашей галактики определяется измерениями космического аппарата «Hipparcos», очень важным является взаимная привязка оптической и радио систем координат. Для этого РСДБ-сетями регистрируются оптически яркие звезды, имеющие радиоизлучение и занесенные в каталог «Hipparcos».
Радиоизлучение звезд обычно мало, поэтому приходится накапливать сигнал несколько часов, а для обеспечения когерентности при этом использовать метод опорного объекта, т.е. каждые 2-3 минуты переводить радиотелескоп с исследуемого объекта на опорный, расположенный на расстоянии до 1 от исследуемого. Метод дифференциальных РСДБ наблюдений звезд на фоне квазаров в течение длительного времени позволяет получить наиболее точные астрометрические параметры объекта. Относительные ошибки (по отношению к опорному квазару) обычно составляют: по координатам - 0,08 миллисекунды дуги; по параметрам вращения - 0,04 миллисекунды дуги в год; по тригонометрическому параллаксу - 0,08 миллисекунды дуги. Такие уровни точностей измерений параллакса не только позволяют определять расстояния до радиозвезд в пределах до 10000 световых лет, но и выдвигают такие же требования к точности систем координат на небе и на Земле.
Предельные угловые разрешения на поверхности Земли могут быть получены только с использованием РСДБ сетей с межконтинентальными базами. Для этого радиотелескопы разных стран мира объединяются в радиоинтерферометрические сети в целях проведения различных наблюдательных программ. В настоящее время координаты большинства радиотелескопов на земной поверхности определяются с субсантиметровой точностью.
Наиболее значимым показателем, характеризующим качество радиоинтерферометра, является реализуемое им отношение антенной температуры источника к собственной шумовой температуре системы «радиотелескоп-радиометр». Улучшение отношения сигнал/шум позволяет повысить точность определения координат источников; проводить наблюдения далеких, как правило более слабых, объектов; обеспечить равномерное покрытие небесной сферы доступными для наблюдений источниками и, тем самым, повысить точность координатной и временной информации.
Решение этой задачи во многом определяется используемой аппаратурой и, в частности, приемниками космического излучения. Многочастотность и применение новых разработок входных малошумящих усилителей, в сочетании с совершенствованием техники глубокого охлаждения, позволяет значительно расширить список наблюдаемых источников, сократить время наблюдений и повысить информативность радиоинтерферометрических комплексов.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является:
- исследование вопросов реализации чувствительности РСДБ-приемников и выбор схемы их построения;
- проведение разработки и расчетов характеристик отдельных узлов и систем приемников (малошумящие усилители, криогенные машины, системы управления, калибровки и т.п.), создание методик измерения основных характеристик приемников и их исследование;
- исследование параметров радиотелескопов, оснащенных приемной и регистрирующей аппаратурой нового поколения;
- проведение РСДБ - наблюдений и анализ, на основе полученных данных (в том числе и геодинамических), влияния различных факторов на характеристики аппаратуры и чувствительность радиотелескопа.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в разработке новой схемы построения и применении новой элементной базы сверхмалошумящих криорадиометров для радиоинтерферометрии, что позволяет расширить перечень решаемых РСДБ методами задач за счет освоения новых диапазонов и увеличения чувствительности. Таким образом -
1. Впервые в отечественной практике применены и испытаны HEMT транзисторы в первых каскадах усиления S/X приемников, охлаждаемые микрокриогенной системой замкнутого цикла охлаждения нового поколения. Разработаны новые методики измерений и проведены лабораторные исследования приемников, которые показали, что характеристики приемников находятся на уровне лучших зарубежных образцов.
2. Впервые в границах бывшего Советского Союза на основе международной кооперации образована геодинамическая РСДБ станция нового поколения (регистрация в стандарте Mark III), совместимая с большинством зарубежных станций.
3. Проведены расчетные и экспериментальные исследования электродинамических характеристик радиотелескопа РТ-22 с совмещенным облучателем 13/3,5 см, установленным в первичном фокусе. Применена оценка эффективности систем «радиотелескоп - радиометр» по эквивалентному потоку (SEFD).
4. По результатам наблюдений уточнены значения модулей векторов баз «Симеиз-Гилкрик», «Симеиз-Матера», «Симеиз-Вестфорд», «Симеиз-Ветцель» и проекции вектора положения станции «Симеиз».
Практическая ценность
1. Значительно (почти в 200 раз) повышена точность определения проекций вектора положения станции «Симеиз».
2. Разработаны малошумящие криоэлектронные приемные устройства диапазонов 13 и 3,5 см с возможностью модуляции коэффициента усиления, предназначенные для наблюдений в интерферометрическом и радиометрическом режимах.
3. Использование HEMT транзисторов в первых каскадах усиления приемников 13 и 3,5 см, охлаждаемых микрокриогенной системой нового поколения «Дрозд», позволило достичь требуемых характеристик комплекса криоэлектронных приемников системы «Квазар».
4. Применена система оценки эффективности радиотелескопов по эквивалентному потоку (SEFD). Разработаны рекомендации по применению характеристики SEFD для оценки качества системы «радиотелескоп-радиометр».
5. Включение двухчастотных S/X криорадиометров в штатный состав аппаратуры РСДБ станции «Симеиз» позволяет осуществлять новые программы наблюдений в составе сетей EVN, APT, NASA.
6. Создан комплекс методик измерения характеристик приемной аппаратуры РСДБ системы «Квазар».
7. Главный практический результат настоящей работы - создание промышленных малошумящих приемников диапазонов 13 см и 3,5 см, предназначенных прежде всего для научных исследований в области радиоастрометрии.
Результаты выполненных исследований и разработок были использованы в: КрАО ГКНТ Украины, НПО «Сатурн», в/ч 26315 при выполнении НИР «Риастра», 1803 ПЗ и ДСО РАН.
На защиту выносятся
1. Методы построения и исследования S/X приемников для РСДБ, позволяющие реализовать высокую чувствительность радиотелескопов в интерферометрическом и радиометрическом режимах наблюдений; применение и исследование HEMT транзисторов в первых каскадах МШУ, охлаждаемых микрокриогенной системой нового поколения.
2. Криоэлектронные приемные устройства диапазонов 13 см и 3,5 см предназначенные для радиоастрометрических исследований методами РСДБ с параметрами, находящимися на уровне лучших зарубежных образцов.
3. Результаты исследования характеристик системы «радиотелескоп-радиометр» на международной геодинамической станции нового поколения «Симеиз», оснащенной высокочувствительными S/X приемниками.
4. Результаты наблюдений на волнах 13 см и 3,5 см на станции «Симеиз» по программам EVN, APT и NASA, позволившие получить новые геодезические данные и доказать, что реализованы расчетные параметры системы «радиотелескоп-радиометр».
Апробация результатов работы
По материалам диссертации сделаны доклады на: ХIV, XXI Всесоюзных конференциях «Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы», 1982, 1989, г. Ереван; Всесоюзной конференции «Микрокриогенная техника-84», 1984, г. Омск; URSI/IAU Symposium on VLBI Technology, 1993, Kyoto, Japan; Российской астрометрической конференции, 1993, г. С.-Петербург; 2nd EVN/JIVE Symposium, 1994, Torun, Poland; 6-th General Assembly of WEGENER, 1994, St. Petersburg; Geodetic VLBI Workshop and Tutorial, 1994, Haystack Observatory, USA; 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology, Kiev, Ukraine. September 11-16 1995; XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995, семинарах Специальной астрофизической обсерватории РАН и Института прикладной астрономии РАН.
Публикации и вклад автора
Основные результаты диссертации изложены в 20 работах, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях, 2 эскизных проектах и 3 отчетах о НИР [1 - 25].
В указанных работах по созданию, исследованию и применению в наблюдениях высокочувствительных криоэлектронных S/X радиометров автору принадлежат:
- во всех работах - непосредственное участие в разработке, исследовании и внедрении приемных устройств S и X диапазонов;
- в работах [10, 14, 15, 16, 25] - непосредственное участие в наблюдениях;
- в работах [2, 19] - непосредственное участие в разработках и опытной эксплуатации микрокриогенных систем;
- в работах [4, 5, 7, 11, 20, 22] - формулировка научно-технических предложений по применению микрокриогенных систем, малошумящих усилителей, систем контроля и управления, схемы построения приемников.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит ?? страниц основного текста, 43 рисунка и 19 таблиц. Список литературы насчитывает 91 наименование.
В первой главе диссертации обосновываются и формулируются общие требования к приемным устройствам для астрометрических и геодинамических наблюдений, обсуждаются основные способы достижения высокой чувствительности по шумовой температуре.
Вторая глава посвящена рассмотрению конструктивных решений, использованных при разработке и изготовлении макетных, экспериментальных и опытных образцов S/X криорадиометров.
В третьей главе обсуждаются результаты лабораторных исследований приемников, рассматривается влияние различных характеристик радиометров на чувствительность.
Четвертая глава диссертации посвящена обсуждению результатов РСДБ-наблюдений в составе глобальных сетей на базе международной геодинамической станции «Симеиз». Рассматривается вклад S/X приемников в параметры системы «радиотелескоп-радиометр». Проводится сравнение с зарубежными РСДБ-станциями.
В Заключении изложены основные результаты работы.
В Приложении приведены методики измерения основных характеристик S/X приемников для системы «Квазар».
Содержание работы
приемник радиотелескоп криоэлектронный
Глава I. Основные требования к радиоинтерферометрическим приемным устройствам и способы их реализации
Качество научных результатов, получаемых интерферометрическими методами, определяется, с одной стороны, аппаратными средствами, составляющими интерферометр: антенна, стандарт частоты и времени, аналоговые приемные устройства, система гетеродинирования, устройства цифровой регистрации и обработки сигналов, с другой стороны, программными и методическими средствами организации и обработки интерферометрических наблюдений.
Данная работа посвящена разработке одной из систем интерферометра, осуществляющей прием и формирование сигналов промежуточной частоты - приемной системе (приемнику), которая расположена практически на входе интерферометра и во многом определяет чувствительность всего интерферометрического комплекса.
Точность астрометрических наблюдений определяется прежде всего отношением «сигнал/шум» на входе радиотелескопа. Поэтому очевидно основное требование, предъявляемое к приемнику - низкое значение собственных шумов, которое достигается применением охлаждаемых малошумящих усилителей.