Некоторые вопросы повышения чувствительности радиометров и наблюдения предельно слабых объектов на радиотелескопе РАТАН-600 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.03, кандидат физико-математических наук Ипатов, Александр Васильевич

• Ипатов, Александр Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 1985

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ипатов, Александр Васильевич

ВВЕДЕНИЕ 4 B.I. Общая характеристика работы 4 В.2. Обзор методов повышения чувствительности радиотелескопов

ГЛАВА I. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МОДУЛЯЦИОННОГО РАДИОМЕТРА

И ФОРМА УПРАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ

1.1. Анализ чувствительности модуляционной схемы радиометра

1.2. Выходные устройства радиометра с синхронным интегратором

1.3. Анализ методов увеличения чувствительности модуляционного радиометра

ГЛАВА 2. ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА АНТЕННЫ РАДИОТЕЛЕСКОПА

РАТАН

2.1. Введение

2.2. Методика измерения облучения главного зеркала радиотелескопа

2.3. Описание генераторов

2.4. Результаты измерений

ГЛАВА 3. КРИОЭЛЕКТРОННОЕ МАЛОШУМШЦЕЕ УСИЛИТЕЛЬНОЕ

УСТРОЙСТВО

3.1. Характеристика способов охлаждения

3.2. Оптимизация длин входных волноводов

3.3. Шумовая температура криоблока

3.4. Расчет параметрических усилителей

3.5. Генераторы накачки ПУ

3.6. Методика настройки ПУ

3.7. Радиометр на основе криоэлектронного ПУ

ГЛАВА 4. ГЛУБОКИЙ ОБЗОР РАДИОИСТОЧНЖОВ

4.1. РАТАН-600 в режиме обзоров неба

4.2. Аппаратура и методика наблюдений

4.3. Методика обработки результатов

4.4. Точность определения потоков и координат

4.5. Список источников

4.6. Полнота обзора

4.7. Отождествление и спектры 120 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135 Основные результаты работы 135 Личный вклад автора 136 СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

ВВЕДЕНИЕ B.I. Общая характеристика работы

Представляемая работа посвящена изучению некоторых вопросов повышения чувствительности радиоастрономических приемников и реализации этой чувствительности в наблюдательных программах. Наблюдения предельно слабых объектов всегда интересовали радиоастрономов, а это непосредственно связано с повышением чувствительности радиотелескопов, так как другого способа зарегистрировать слабые сигналы не существует.

Экспериментальную базу работы составляет разработка охлаждаемых параметрических усилителей. Впервые в СССР разработаны и применены параметрические усилители, охлаждаемые до температуры 4,5 К микрокриогенной системой с замкнутым циклом охлаждения.

Разработаны и внедрены в эксплуатацию выходные устройства радиометров с синхронным интегратором.

На основе этих разработок создан радиометр на волну 3,9 см. Используя этот радиометр на РАТАН-600 проведен глубокий обзор участка неба, в котором зарегистрировано 210 радиоисточников, 125 из них зарегистрированы впервые.

Актуальность;

В последние годы вновь повышается интерес к обзорам радиоисточников. Это вызвано сдвигом наблюдений в сантиметровый диапазон и в область слабых потоков, что непосредственно связано с повышением чувствительности радиотелескопов. Получен ряд новых результатов, например, резкое уплощение зависимости "число источников - плотность потока" на слабых потоках и ее зависимость от частоты, появление зависимости спектрального индекса от потока. Единого мнения о природе этих явлений пока нет. Сделан ряд обзоров в сантиметровом диапазоне волн в различных обсерваториях. В Парксе на частоте 2700 МГц зарегистрировано несколько тысяч радиоисточников с потоком более 0.25 ян, в NRA0 на частоте 5000 МГц отмечено около 1000 радиоисточников с потоком более 0.6 ян. В обзоре, проводимом ГАИШ на РАТАН-600, уже зарегистрировано около тысячи новых радиоисточников на частоте 3900 МГц с потоком более 0.1 ян.В глубоком обзоре(эксперимент "Холод", РАТАН-600) на частоте 3900 МГц новых радиоисточников с потоком свыше 0.2 ян зарегистрировано больше, чем полное число радиоисточников, обнаруженных в радиоастрономии на сантиметровых волнах с помощью всех радиотелескопов вместе взятых за все годы. Такой выдающийся результат стал возможен благодаря резкому повышению чувствительности радиотелескопа на этой волне.

Результаты этих работ (для понимания природы зарегистрированных объектов) продемонстрировали острую необходимость продвижения обзоров в более коротковолновую часть сантиметрового диапазона длин волн с понижением предельного измеряемого потока. Проведение обзора на частоте 7700 МГц с чувствительностью, близкой к достигнутой в эксперименте "Холод", приобретает особую важность. Способ реализации столь высокой чувствительности один - максимально возможное снижение шумовой температуры радиометра и радиотелескопа в целом.

Настоящая работа посвящена реализации подобной чувствительности в режиме проведения обзора на радиотелескопе РАТАН-600.

Цель работы:

1. Наблюдение предельно слабых объектов на радиотелескопе РАТАН-600 на частоте 7700 МГц.

2. Реализация высокой чувствительности радиотелескопа РАТАН-600 с учетом влияния атмосферы.

3. Исследование и анализ возможностей снижения шумовой температуры радиотелескопа.

4. Разработка малошумящего криоэлектронного усилительного устройства, способного обеспечить проведение обзора на данной частоте с чувствительностью 10*20 мян.

5. Разработка радиометра, позволяющего реализовать столь высокую потенциальную чувствительность КРИО-МШУ (в том числе и выходных устройств к нему).

Новизна работы:

1. Проведен обзор участка неба на радиотелескопе РАТАН-600 на частоте 7700 МГц, в котором зарегистрировано 210 радиоисточников, 125 из них - впервые.

2. Впервые реализована в наблюдениях чувствительность 3.6*5 гЖ на южном секторе радиотелескопа РАТАН-600 с плоским отражателем на частоте 7700 МГц.

3. Впервые в СССР разработаны параметрические усилители (ПУ), охлаждаемые до температуры жидкого гелия на частоте 7700 МГц.

4. Впервые в СССР для охлаждения ПУ применена микрокриогенная система с замкнутым циклом гелиевого уровня охлаждения, работающая по циклу Джиффорда-Макмагона с дроссельным контуром.

5. Впервые разработаны и созданы весьма совершенные для своего времени выходные устройства радиометров с синхронным интегратором.

6. Впервые в СССР на основе вышеперечисленных разработок создан радиометр с шумовой температурой 17*20 К в диапазоне 7700 МГц. Радиометр подсоединен к система регистрации в реальном времени, разработанной ГАИШ, и введен в постоянную эксплуатацию на радиотелескопе.

Автор выносит на защиту:

1. Проведение наблюдений, обработку результатов и сами результаты обзора на южном секторе радиотелескопа РАТАН-600 с плоским отражателем на частоте 7700 МГц.

2. Исследование характера облучения главного зеркала радиотелескопа РАТАН-600, исследование и анализ составляющих шумовой температуры антенны.

3. Разработку, исследование, изготовление и ввод в эксплуатацию параметрических усилителей, охлаждаемых до 4,5 К.

4. Разработку, исследование и ввод в эксплуатацию криоэлектронного малошумящего усилительного устройства, охлаждаемого мж-рокриогенной системой замкнутого цикла гелиевого уровня охлаждения.

5. Разработку, исследование и ввод в эксплуатацию выходных устройств радиометров с синхронным интегратором.

6. Разработку, изготовление, проведение наладки, испытаний, исследование характеристик и внедрение в наблюдательный цикл криорадиометра на волне 3.9 см с шумовой температурой 17*20 К.

Научное и практическое значение работы:

I. В результате проделанной работы в обзоре на частоте 7700 МГц зарегистрировано 210 радиоисточников, причем 125 из них - впервые. На основании полученных результатов показано, что на частоте 7700 МГц наклон кривой "число источников - плотность потока" уплощается на слабых потоках вплоть до Р = 40 мян.

2. В результате проведенных исследований и разработок удалось оснастить радиотелескоп РАТАН-600 высокочувствительным крио-радиометром диапазона 7700 МГц (включая и выходные устройства к нему с синхронным интегратором) и тем самым повысить его эффективность и информативность.

3. Определены величины избыточной шумовой температуры антенны РАТАН-600 и ее составляющих (переоблучение главного зеркала, влияние земли, щелей) и даны рекомендации по ее снижению.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на УП, УШ, XI, Х1У Всесоюзных радиоастрономических конференциях по радиоастрономии, аппаратуре, антеннам и методам (Горький, 1972 г.; Пущино,1975 г.; Ереван, 1978 г., 1982 г), на Ж1 Европейской конференции молодых радиоастрономов (Пущино, 1979 г.), на Всесоюзной конференции "Микрокриогенная техника-84" (Омск, 1984 г.), на аппаратурной секции Научного совета по проблеме "Радиоастрономия" АН СССР (1973 г.) и на семинарах радиоастрономического сектора CA0 АН СССР. . В.2. Обзор методов повышения чувствительности радиотелескопов

Шумовой характер радиоастрономического сигнала определяет основные отличия радиометра от приемных устройств, предназначенных для связи, локации и др. Общим требованием во всех этих случаях является требование низких собственных шумов приемной алпаратуры, т.е.высокая чувствительность. По отношению к полосе принимаемых частот требования различны. В связной технике, например, заранее известна полоса частот, в которой содержится полезный сигнал. Следовательно, существует оптимальная полоса приема, изменение которой ведет либо к потере части информации, либо к ухудшению отношения сигнал/шум.

Полосу же частот радиометра A j- выгодно сделать как можно более широкой, т.к.сигнал заполняет всю полосу приема (спектр сигнала можно считать "белым"). Выходной ток радиометра состоит из двух составляющих: постоянная составляющая (среднее значение Т) и флуктуации, характеризуемые дисперсией I . Среднее значение и дисперсия складываются из составляющих шумов и сигнала. Если считать, что в радиометре постоянная составляющая шумов может быть отделена от постоянной составляющей сигнала, а дисперсия сигнала мала по сравнению с дисперсией собственных шумов приемника [I] и ею можно пренебречь, то на выходе мы имеем дело с постоянной составляющей тока сигнала и дисперсией шумов приемника. Поскольку сравниваются принципиально отличные характеристики случайных процессов, у нас есть возможность изменять соотношение между ними.

Расширение полосы приема ведет в этом случае к увеличению энергии сигнала на входе приемника пропорционально д/ , в то время как стандартное отклонение шумов растет как i/aJ7 . В результате чувствительность возрастает при расширении полосы пропорционально ]/aJ' . Точно так же выгодно применять возможно большее время накопления сигнала.

Случай использования радиометра характерен тем, что сигнал по своим характеристикам не отличим от собственных шумов приемника.

Если бы собственные шумы приемника были абсолютно стационарны, не представляло бы труда заметить появление сигнала. Однако из-за нестабильности параметров приемника (нестационарности собственных шумов) приходится применять специальные меры, чтобы отделить полезный сигнал от флуктуации средней мощности выходных шумов, например, модуляцию.

Выраженный в градусах антенной температуры пороговый сигнал Ш равен:

В эту формулу входят основные параметры: На- шумовая температура всей системы радиотелескоп - радиоcL - коэффициент, зависящий от применяемой схемы радиометра.

Разработка радиометров предельной чувствительности предполагает не только проектирование малошумящих широкополосных усилителей, но и минимизацию шумовой температуры системы радиотелескоп - радиометр, а также совершенствование применяемых схем радиометров (уменьшение коэффициента оС в формуле B-I). В работах [I, 2, 3] приводятся сравнительные данные по чувствительности радиометров, построенных по различным схемам. Коэффициент оС изменяется от ПГ (компенсационная схема радиометра) до УГ/2" (модуляционная схема). Реализовать высокую теоретическую чувствительность компенсационного радиометра чрезвычайно трудно, дрейф коэффициента усиления приемника становится серьезной проблемой. метр, °К; Дj-- полоса принимаемых частот, гц; ДF- полоса пропускания выходного фильтра, гц;

Модуляционные методы приема во многих случаях предпочтительнее. Предложения о реализации чувствительности промежуточной между компенсационным и модуляционным методами приема делались неоднократно.

В работах [4 * 9] предлагается изменить форму напряжения демодулятора и за счет этого уменьшить коэффициент Л до 2 f2. Работы [10 13] рассматривают вопросы, связанные с дальнейшим приближением чувствительности приемников к компенсационной схеме для различных модификаций схем радиометров и радиоспектрометров.

Применение различных промежуточных схем определяется в каждом конкретном случае стабильностью коэффициента усиления радиометра и временем наблюдения. Граница применимости компенсационной и модуляционной схем обсуждалась в [12, 14, 15] . Наиболее общий подход к этой проблеме осуществлен в работе [Е5] . Однако реализация методики наблюдений, предложенной Бремером для нескольких радиометров одновременно, встречает серьезные трудности: для каждого радиометра необходимо иметь быстродействующий преобразователь аналог-код и в режиме оп-&пе проводить раздельную обработку в момент наблюдения исследуемого сигнала и в момент наблюдения опорного сигнала.

Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в главе I.

Наиболее важным параметром в формуле чувствительности радиометра является шумовая температура Ita. Снижение этой температуры всегда было основной задачей радиоастрономов.

При этом под шумовой температурой в формуле B-I следует понимать полную шумовую температуру системы радиотелескоп - радиометр, состоящую из двух основных частей: шумовой температуры антенны радиотелескопа и шумовой температуры радиометра. Основной способ снижения шумовой температуры радиометра - это применение малошумящих усилителей (МШУ) на входе приемника и их охлаждение до температуры жидкого азота или гелия. В качестве таких усилительных каскадов широко распространены мазеры {16], параметрические усилители (ПУ) [17 * 19] и транзисторные усилители на полевых транзисторах [20] . На разных частотах применяются различные типы МШУ. Так на дециметровых и длинных сантиметровых волнах наиболее часто применяются охлаждаемые транзисторные МШУ, на более коротких волнах - ПУ и мазеры.

Преимущество транзисторных МШУ - высокая надежность при достаточно низких шумах. Преимущество ПУ всецело заключается в их низких шумах и широких полосах усиления. Однако следует четко осознавать, что охлаждением можно снизить шумовую температуру радиометра в 10 раз, но тогда сложность всей приемной системы обычно возрастает в то же количество раз [18] . Применение охлаждаемых МШУ вместе с антенной с малой шумовой температурой дает в радиоастрономии наибольший эффект [21] , т.к.другого способа усилить приходящие сигналы не существует. Шумовая температура антенны состоит из: яркостной температуры неба; шумов, обусловленных потерями в антенне радиотелескопа и рассеянием на неодно-родностях ее поверхности; шумов, обусловленных переоблучением антенны радиотелескопа. На поверхности Земли изменить первую составляющую невозможно. Вопросу снижения двух других составляющих посвящено большое количество работ. Шумовая температура антенны радиотелескопа РАТАН-600 неоднократно обсуждалась [22 2$ В этих работах проведены теоретические и экспериментальные исследования шумовой температуры радиотелескопа, высказаны предложения по ее снижению. Результатом комплексных мероприятий по снижению шумовой температуры системы радиотелескоп - радиометр явилась работа [21] , где показана возможность использования радиотелескопа в режиме максимальной чувствительности на волне 7,6 см. Более подробно эти вопросы будут освещены в

главах 2, 3.

Реализация высокой чувствительности радиотелескопа РАТАН-600 на волне 4 см - тема этой работы. Очевидно, что чем короче длина волны, тем сильнее влияние атмосферы. Поэтому необходимо применить методику, исключающую влияние атмосферы и позволяющую реализовать высокую чувствительность радиотелескопа. Наиболее приемлемым с этой точки зрения является модуляционный метод приема. Он позволяет эффективно исключать флуктуации коэффициента усиления приемника и флюктуации атмосферного происхождения [26] . По этим причинам наиболее приемлема из одноканальных схем модуляционная, хотя мы сознательно идем на наличие потерь на входе приемника. Однако, применение модуляторов нового типа на основе трехплечьего циркулятора с "магнитной памятью", отличающегося высоким быстродействием (I мксек), малыми потерями на СВЧ (около 0,1 дб), потреблением тока только в момент переключения (т.е. очень малой средней мощностью управления и,как следствие этого, возможностью глубокого охлаждения) устраняет основной недостаток модуляционного метода приема.

Используя диаграммную модуляцию мы не только успешно боремся с флуктуациями радиоизлучения атмосферы, но и ведем прием из двух смежных направлений, т.е.источник регистрируется последовательно в обеих рупорах радиометра и,как следствие этого, увеличение чувствительности радиотелескопа при исследовании точечных источников. Наблюдения предельно слабых объектов на РАТАНвключает в себя не только комплекс работ по повышению чувствительности радиометра и радиотелескопа в целом, но и выбор области неба для наблюдений, методику проведения обзора и обработки результатов. Эти вопросы будут рассмотрены в главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Некоторые вопросы повышения чувствительности радиометров и наблюдения предельно слабых объектов на радиотелескопе РАТАН-600»

B.I. Общая характеристика работы Представляемая работа посвящена изучению некоторых вопросов повышения чувствительности радиоастрономических приемников и реализации этой чувствительности в наблюдательных программах. Наблюдения предельно слабых объектов всегда интересовали радиоастрономов, а это непосредственно связано с повышением чувствительности радиотелескопов, так как другого способа зарегистрировать слабые сигналы не существует.Экспериментальную базу работы составляет разработка охлаждаемых параметрических усилителей. Впервые в СССР разработаны и применены параметрические усилители, охлаждаемые до температуры 4,5 К микрокриогенной системой с замкнутым циклом охлаждения.Разработаны и внедрены в эксплуатацию выходные устройства радиометров с синхронным интегратором.На основе этих разработок создан радиометр на волну 3,9 см.Используя этот радиометр на РАТАН-600 проведен глубокий обзор участка неба, в котором зарегистрировано 210 радиоисточников, 125 из них зарегистрированы впервые.Актуальность; В последние годы вновь повышается интерес к обзорам радиоисточников. Это вызвано сдвигом наблюдений в сантиметровый диапазон и в область слабых потоков, что непосредственно связано с повышением чувствительности радиотелескопов. Получен ряд новых результатов, например, резкое уплощение зависимости "число источников - плотность потока" на слабых потоках и ее зависимость от частоты, появление зависимости спектрального индекса от по- 5 тока. Единого мнения о природе этих явлений пока нет. Сделан ряд обзоров в сантиметровом диапазоне волн в различных обсерваториях, В Парксе на частоте 2700 Шц зарегистрировано несколько тысяч радиоисточников с потоком более 0.25 ян, в NR^^ на частоте 5000 МГц отмечено около 1000 радиоисточников с потоком более 0.6 ян. В обзоре, проводимом ГАИШ на РАТАН-600, уже зарегистрировано около тысячи новых радиоисточников на частоте 3900 МГц с потоком более 0.1 ян.В глубоком обзоре(эксперимент "Холод", РАТАН-600) на частоте 3900 МГц новых радиоисточников с потоком свыше 0.2 ян зарегистрировано больше, чем полное число радиоисточников, обнаруженных в радиоастрономии на сантиметровых волнах с помощью всех радиотелескопов вместе взятых за все годы.Такой выдающийся результат стал возможен благодаря резкому повышению чувствительности радиотелескопа на этой волне.Результаты этих работ (для понимания природы зарегистрированных объектов) продемонстрировали острую необходимость продвижения обзоров в более коротковолновую часть сантиметрового диапазона длин волн с понижением предельного измеряемого потока. Проведение обзора на частоте 7700 МГц с чувствительностью, близкой к достигнутой в эксперименте "Холод", приобретает особую важность. Способ реализации столь высокой чувствительности один - максимально возможное снижение шумовой температуры радиометра и радиотелескопа в целом.Настоящая работа посвящена реализации подобной чувствительности в режиме проведения обзора на радиотелескопе РАТАН-600. - 6 Цель работы: 1. Наблюдение предельно слабых объектов на радиотелескопе РАТАН-600 на частоте 7700 ГЯРц.2. Реализация высокой чувствительности радиотелескопа РАТАН-600 с учетом влияния атмосферы.3. Исследование и анализ возможностей снижения шумовой температуры радиотелескопа.4. Разработка малошумящего криоэлектронного усилительного устройства, способного обеспечить проведение обзора на данной частоте с чувствительностью 10т-20 мян.5. Разработка радиометра, позволяющего реализовать столь высокую потенциальную чувствительность КРИО-ШУ (в том числе и выходных устройств к нему).Новизна работы: 1. Проведен обзор участка неба на радиотелескопе РАТАН-600 на частоте 7700 !Л?ц, в котором зарегистрировано 210 радиоисточников, 125 из них - впервые.2. Впервые реализована в наблюдениях чувствительность 3.6f5 гЖ на южном секторе радиотелескопа РАТАН-600 с плоским отражателем на частоте 7700 МГц.3. Впервые в СССР разработаны параметрические усилители (ПУ), охлаждаемые до температуры жидкого гелия на частоте 7700 МГц, 4. Впервые в СССР для охлаждения ПУ применена микрокриогенная система с замкнутым циклом гелиевого уровня охлаждения, работающая по циклу Джиффорда-Макмагона с дроссельным контуром.5. Впервые разработаны и созданы весьма совершенные для своего времени выходные устройства радиометров с синхронным интегра- 7 тором.6. Впервые в СССР на основе вышеперечисленных разработок создан радиометр с шзщовой температзфой 174-20 К в диапазоне 7700 ?ЯГц. Радиометр подсоединен к система регистрации в реальном времени, разработанной ГАИШ, и введен в постояннзтю эксплзтатацию на радиотелескопе.Автор выносит на защиту: 1. Проведение наблюдений, обработку результатов ж сами результаты обзора на южном секторе радиотелескопа РАТАН-600 с плоским отражателем на частоте 7700 МГц, 2. Исследование характера облучения главного зеркала радиотелескопа РАТАН-600, исследование и анализ составляющих шумовой температуры антенны, 3. Разработку, исследование, изготовление и ввод в эксплуатацию параметрических усилителей, охлаждаемых до 4,5 К.

4. Разработку, исследование и ввод в эксплуатацию криоэлектронного малошумящего усилительного устройства, охлаждаемого микрокриогенной системой загжнутого цикла гелиевого уровня охлаждения.5. Разработку, исследование и ввод в эксплуатацию выходных устройств радиометров с синхронным интегратором, 6. Разработку, изготовление, проведение наладки, испытаний, исследование характеристик и внедрение в наблюдательный цикл криорадиометра на волне 3.9 см с шумовой теглпературой 17^20 К. Научное и практическое значение работы: I. В результате проделанной работы в обзоре на частоте 7700 МГц зарегистрировано 210 радиоисточников, причем 125 из - 8 них - впервые. На основании полученных результатов показано, что на частоте 7700 МГц наклон кривой "число источников - плотность потока" уплощается на слабых потоках вплоть до Р = 40 мян.2. В результате проведенных исследований и разработок удалось оснастить радиотелескоп РАТАН-600 высокочувствительным криорадиометром диапазона 7700 МГц (включая и выходные устройства к неглу с синхронным интегратором) и тем самым повысить его эффективность и информативность.3. Определены величины избыточной шумовой температуры антенны РАТАН-600 и ее составляющих (переоблучение главного зеркала, влияние земли, щелей) и даны рекомендации по ее снижению.Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на УП, УШ, XI, Х1У Всесоюзных радиоастрономических конференциях по радиоастрономии, аппаратуре, антеннам и методам (Горький, 1972 г.; Пущине,1975 г.; Ереван, 1978 г., 1982 г), на Ж1 Европейской конференции молодых радиоастрономов (Пущине, 1979 г.), на Всесоюзной конференции "Микрокриогенная техника-84" (Омск, 1984 г.), на аппаратурной секции Научного совета по проблеме "Радиоастрономия" АН СССР (1973 г.) и на семинарах радиоастрономического сектора ОАО АН СССР. X В.2. Обзор методов повышения чувствительности радиотелескопов Шумовой характер радиоастрономического сигнала определяет основные отличия радиометра от приемных устройств, предназначенных для связи, локации и др. Общим требованием во всех этих случаях является требование низких собственных шумов приемной аппа- 9 ратзфы, т.е.высокая чувствительность. По отношению к полосе принимаемых частот требования различны. В связной технике, например, заранее известна полоса частот, в которой содержится полезный сигнал. Следовательно, существует оптимальная полоса приема, изменение которой ведет либо к потере части информации, либо к ухудшению отношения сигнал/шум.Полосу же частот радиометра А j - выгодно сделать как можно более широкой, т.к.сигнал заполняет всю полосу приема (спектр сигнала можно считать "белым"). Выходной ток радиометра состоит из двух составляющих: постоянная составляющая (среднее значение Т) и флуктуации, характеризуемые дисперсией I , Среднее значение и дисперсия складываются из составляющих шумов и сигнала.Если считать, что в радиометре постоянная составляющая шумов может быть отделена от постоянной составляющей сигнала, а дисперсия сигнала мала по сравнению с дисперсией собственных шумов приемника [1] и ею можно пренебречь, то на выходе глы имеем дело с постоянной составляющей тока сигнала и дисперсией шумов приемника. Поскольку сравниваются принципиально отличные характеристики случайных процессов, у нас есть возможность изменять соотношение между ними, Расширение полосы приема ведет в этом случае к увеличению энергии сигнала на входе приемника пропорционально л / , в то время как стандартное отклонение шумов растет как ^^jp . В результате чувствительность возрастает при расширении полосы пропорционально \lKj . Точно так же выгодно применять возможно большее время накопления сигнала, Случай использования радиометра характерен тем, что сигнал по своим характеристикам не отличим от собственных шумов приемника. - 10 Если бы собственные шумы приемника были абсолютно стационарны, не представляло бы труда заметить появление сигнала. Однако из-за нестабильности параметров приемника (нестационарности собственных шумов) приходится применять специальные меры, чтобы отделить полезный сигнал от флуктуации средней мощности выходных шугюв, например, модуляцию.Разработка радиометров предельной чуБствительности предполагает не только проектирование малошумящих широкополосных усилителей, но и минимизацию шрловой температуры системы радиотелескоп - радиометр, а также совершенствование применяемых схем радиометров (уменьшение коэффициента оС в формуле B-I). В работах [I, 2, 3J приводятся сравнительные данные по чувствительности радиометров, построенных по различным схемам. Коэффициент оС изменяется от {2^ (ко1*ж1енсационная схема радиометра) до ^ / 2 ^ (модуляционная cxe^ia). Реализовать высокую теоретическую чувствительность компенсационного радиометра чрезвычайно трудно, дрейф коэффициента усиления приемника становится серьезной проблемой. - II Модуляционные методы приема во многих случаях предпочтительнее. Предложения о реализации чувствительности промежуточной между компенсационным и модуляционным методакш приема делались неоднократно.В работах [4 -г 9] предлагается изменить форму напряжения демодулятора и за счет этого уменьшить коэффициент Х До 2 {2^.Работы [10 ^ 13] рассматривают вопросы, связанные с дальнейшим приближением чувствительности приемников к коглпенсационной схеме для различных модификаций схем радиометров и радиоспектрометров.Применение различных промежуточных схем определяется в каждом конкретном случае стабильностью коэффициента усиления радиометра и временем наблюдения. Граница примениглости компенсационной и модуляционной схем обсуждалась в [12, 14, 15] . Наиболее общий подход к этой проблеме осуществлен в работе [CS] . Однако реализация методики наблюдений, предложенной Бремером для нескольких радиометров одновременно, встречает серьезные трудности: для каждого радиометра необходимо иметь быстродействующий преобразователь аналог-код и в режиме on--iine проводить раздельную обработку в момент наблюдения исследуемого сигнала и в момент наблюдения опорного сигнала.Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в главе I, Наиболее важным параметром в формуле чувствительности радиометра является шумовая температура Ito. Снижение этой температуры всегда было основной задачей радиоастрономов.При этом под шумовой температурой в формуле B-I следует понимать полную шумовую температуру систевш радиотелескоп - радиометр, состоящую из двух основных частей: шумовой температуры ан- 12 тенны радиотелескопа и шугяовой температуры радиометра. Основной способ снижения шумовой температуры радиометра - это применение малошумшцих усилителей (МШУ) на входе приемника и их охлаждение до температуры жидкого азота или гелия. В качестве таких усилительных каскадов широко распространены мазеры [16], параметрические усилители (ПУ) [17 ^ 19] и транзисторные усилители на полевых транзисторах [20] . На разных частотах применяются различные типы МШУ. Так на дециметровых и длинных сантиметровых волнах наиболее часто применяются охлаждаемые транзисторные Ш У , на более коротких волнах - ПУ и мазеры.Преимущество транзисторных МШУ - высокая надежность при достаточно низких шумах. Преимущество ПУ всецело заключается в их низких шумах и широких полосах усиления. Однако следует четко осознавать, что охлаждением можно снизить шумовую тегяпературу радиометра в 10 раз, но тогда сложность всей приемной системы обычно возрастает в то же количество раз fCS], Применение охлаждаемых МШУ вместе с антенной с малой шумовой температурой дает в радиоастрономии наибольший эффект [21] , т.к.другого способа усилить приходящие сигналы не существует. Шумовая температура антенны состоит из: яркостной температуры неба; шумов, обусловленных потерями в антенне радиотелескопа и рассеянием на неоднородностях ее поверхности; шумов, обусловленных переоблучением антенны радиотелескопа. На поверхности Земли изменить первую составляющую невозможно. Вопросу снижения двух других составляющих посвящено большое количество работ. Шумовая температура антенны радиотелескопа РАТАН-600 неоднократно обсуждалась [22 4- 2^ В этих работах проведены теоретические и экспериментальные исследования шумовой температуры радиотелескопа, высказаны предложе- 13 ния по ее снижению. Результатом комплексных мероприятий по снижению шумовой температуры системы радиотелескоп - радиометр явилась работа [21] , где показана возможность использования радиотелескопа в режиме максимальной чувствительности на волне 7,6 см, Более подробно эти вопросы будут освещены в главах 2, 3.Реализация высокой чувствительности радиотелескопа РАТАН-600 на волне 4 см - тема этой работы. Очевидно, что чем короче длина волны, тем сильнее влияние атмосферы. Поэтому необходимо применить методику, исключающую влияние атмосферы и позволяющую реализовать высокую чувствительность радиотелескопа. Наиболее приемлемым с этой точки зрения является модуляционный метод приема. Он позволяет эффективно исключать флуктуации коэффициента усиления приемника и флюктуации атмосферного происхождения [26] .По этим причинам наиболее приемлема из одноканальных схем модуляционная, хотя мы сознательно идем на наличие потерь на входе приемюпса. Однако, пршленение модуляторов нового типа на основе трехплечьего циркулятора с "магнитной памятью", отличающегося высоким быстродействием (I гжсек), малыми потерями на СВЧ (около 0,1 дб), потреблением тока только в момент переключения (т.е. очень малой средней мощностью управления и,как следствие этого, возможностью глубокого охлаждения) устраняет основной недостаток модуляционного метода приема.Используя диагравшную модуляцию мы не только успешно боремся с флуктуациями радиоизлучения атмосферы, но и ведем прием из двух смежных направлений, т.е.источншс регистрируется последовательно в обеих рупорах радиометра и,как следствие этого, увеличение чувствительности радиотелескопа при исследовании точечных источников. Наблюдения предельно слабых объектов на РАТАН-600 - 14 включает в себя не только комплекс работ по повышению чувствительности радиометра и радиотелескопа в целом, но и выбор области неба для наблюдений, методику проведения обзора и обработки результатов. Эти вопросы будут рассмотрены в главе 4.В заключение отметим, что понижение порога обнаружения в нашем обзоре (повышение чувствительности радиотелескопа) дает возможность не только получить данные на частоте 7700 МГц, но и получить спектры источников, используя данные, например, эксперимента "Холод" [49]. - 15

Заключение диссертации по теме «Физика Солнца», Ипатов, Александр Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате многолетней работы коллектива сотрудников радиоастрономического приборостроения GA0 АН СССР стало возможным повысить технический уровень и чувствительность приемной аппаратуры радиотелескопа РАТАН-600, а это значит повысить его эффективность и информативность. Представленная работа является небольшой частью результатов, полученных на радиотелескопе за последние годы. Ее краткие результаты:

1. Проведен глубокий обзор радиоисточников на частоте

7700 МГц на склонении +5°, обработаны результаты, получен каталог, содержащий 210 радиоисточников, из них 125 - новые. Построены спектры 75 радиоисточников. Для большинства из них наши измерения саше высокочастотные. Показано, что распределение спектральных индексов для источников с плотностью потока Р ^ 40 мян, не зависит от частоты вплоть до j- = 7700 МГц. Построена кривая "количество источников - плотность потока".

2. Проведено исследование характера облучения главного зеркала радиотелескопа, проведен анализ составляющих шумовой температуры антенны и возможностей их снижения.

3. Разработаны, изготовлены и применены в радиометре параметрические усилители, охлаждаемые до температуры 4,5 К.

4. Показана возможность и разработан способ охлаждения параметрических усилителей с помощью микрокриогенной системы с замкнутым циклом гелиевого уровня охлаждения.

5. Охлажден до температуры 4,5°К, исследован и введен в эксплуатацию модулятор с магнитной памятью.

6. Разработан, исследован и введен в эксплуатацию радиометр с крио- МШУ на частоте 7700 МГц с шумовой температурой 17 - 20°К.

7. Разработаны, исследованы и введены в эксплуатацию выходные устройства радиометров с синхронным интегратором.

Личный вклад автора

Под руководством автора и при его личном участии проведен обзор на РАТАН-600 на частоте 7700 МГц. Обработка результатов и их анализ выполнены лично автором.

Разработка методики расчета и составление программ для ЭВМ выполнены автором совместно с А.А.Курбатовым.

Разработка способа охлаждения и вопросы стыковки ПУ с МКС решены автором совместно с Е.Д.Барановым.

Разработка, исследование и ввод в эксплуатацию криорадиомет-ра и всех его элементов осуществлены под руководством и при непосредственном участии автора.

Разработки и исследования выходных устройств радиометров были начаты совместно с А.Б.Берлиным, а устройства на интегральных микросхемах выполнены под руководством автора.

Исследования характера облучения главного зеркала, исследования спектров флюктуации были выполнены под руководством Д.В.Королькова.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ипатов, Александр Васильевич, 1985 год

1. Н.А.Есепкина, Д.В.Корольков, Ю.Н.Парижский - "Радиотелескопы и радиометры", 1973 г., М., "Наука", с.5-334.

2. Д.Д.Краус "Радиоастрономия", 1973 г., М., "Советское радио", с.5-273.

3. D. Wait "The sensitivity of theDicke radiometer", Journal of reasearch of the National Bureau of Standards C. Enginerin^ and instrumentation. Vol.71., N2, April- June, 1967. p.1-27.

4. Р.Н.Фрейтер "Синхронный интегратор и деморулятор", "Приборы для научных исследований", 1965 г., $ 5, с.53-56.

5. А.В.Ипатов, А.Б.Берлин "Селективный усилитель с синхронным интегратором", Приборы и техника эксперимента, 1973 г., № I, с.118-120.

6. А.В.Ипатов, А.Б.Берлин "Низкочастотное выходное устройство радиоастрономического приемника с синхронным интегратором", Известия ВУЗов, Радиофизика, T.X7I, № 5, 1973 г.с.7-12.

7. В.А.Прозоров "Влияние паразитных емкостей и утечек на свойства синхронного интегратора", Радиотехника, Т.29, J& 12, 1974 г., с.81-83.

8. В.С.Аблазов, В.В.Абрамов, Е.Н.Кособоков, В.П.Соснин -"Усилитель синхронный автоматический для модуляционных радиометрических приемников", Ж Всесоюзная конференция по радиоастрономии. Тезисы докладов, Пущино, 1975 г., с.100-101.

9. P. Williams "A phase sensitive detector with high noise immanity". Scientific Instruments (Journal of Physics). V.3 N.6. 1970, p. 441-443.

10. В.Я.Гольнев, Д.В.Корольков, П.А.Фридман "Адаптивный радиометр с пилот-сигналом", Астрофизич.исслед.Изв.Спец. астрофиз.обсерв., А^ 13, 1981 г., с.52-61.

11. А.Г.Кисляков "О предельной чувствительности модуляционного радиометра", Изв.ВУЗов, Радиофизика, 21, № 3, 1978 г., с.448-450.

12. Д.В.Корольков "Письмо в редакцию "Радиофизики", Изв. ВУЗов, Радиофизика, Т.22, JS 4, 1979 г., с.511-512.

13. James С. Bremer 11 Improvement of Scanning Badiometer Performan се Ъу Digital Reference Averaging", IEEE Trans, on Inst, and measurment, vol. TM-28, N1, March 1979, p. 46-54.

14. В.Н.Алфеев "Радиотехника низких температур", М., Сов.радио, 1966г., с.163-172.

15. M.Kajikawa, Н. Hayashi, Н. Shioya "Low noise Parametric Amplifiers" NEC Reasearch and Development, U36,January,1975, p.10-19.

16. P.R. Williams, S.Weinreb " L- Band cryogenic GaAs-FET Amplifier' Internal NRAO publication, p.1-7.

17. А.Б.Берлин, Л.Г.Гасанов, В.Я.Гольнев, Д.В.Корольков,

18. В.И.Лебедь, Н.А.Нижелъский, Е.Е.Спангенберг, Г.М.Тимофеева, А.В.Яременко "Радиотелескоп РАТАН-600 в режиме низких собственных шумов", Радиотехн.и электрон., 1982 г., 27, Л 7, с.1268-1273.

19. А.А.Стоцкий "Расчет шумовой температуры РАТАН-600", Известия ГАО, 1972 Г., № 188, с.83-88.

20. Б.В.Брауде, Н.А.Есепкина "Теоретическое исследование шумовой температуры антенной системы радиотелескопа РАТАН-600", Астрофиз.исслед.Известия Спец.астрофиз.обсерв., 1978 г., Т.10, с.75-84.

21. Д.В.Корольков, Е.К.Майорова, А.А.Стоцкий "Экспериментальное исследование диаграммы направленности облучателя радиотелескопа РАТАН-600 и расчет шумовой температуры антенны", Астрофиз.исслед.Спец.астроф.обсерв., 1978 г., № 10,с.85-92.

22. М.Н.Кайдановский, А.А.Стоцкий "Экспериментальные характеристики флуктуаций радиоизлучения облачной атмосферы на сантиметровых волнах", Изв.ВУЗов, Радиофизика, 1979 г.,22, с.407-413.

23. Булаенко Е.В., А.В.Ипатов "Синхронный интегратор на операционном усилителе", УШ-ая Всесоюзная конференция по радиоастрономии, Тезисы докладов, Пущино, 1975 г., с.101.

24. Е.В.Булаенко, А.В.Ипатов "Выходное устройство радиометра на интегральных микросхемах серии 140", УШ-ая Всесоюзная конференция по радиоастрономии, Тезисы докладов, Пугцино, 1975 г., с.103.

25. Д.В.Корольков, А.В.Ипатов, С.И.Болдырев, В.И.Докучаев, А.Н.Коржавин "Исследование характера облучения главного зеркала РАТАН-600 на волнах 2,4, 8,0 и 30 см", Техн.отчет САО АН СССР, Зеленчукская, 1978 г., с.1-25.

26. Адаме, Филд, Макнейл, Сканлэн "Параметрические усилители СВЧ диапазона и их применения в спутниковой связи и радиоастрономии", "Зарубежная радиоэлектроника", 1973 г., В II, с.114-139.

27. М.П.Малков и др. "Справочник по физико-техническим основам криогеники", М., Энергия, 1973 г., с.392.

28. Л.А.Новицкий, И.Г.Кожевников "Теплофизические свойства материалов при низких температурах". Справочник. М. Машиностроение, 1975 г., с.216.

29. И.М.Айнбиндер "Шумы радиоприемников", М., "Радиотехника", 1974 г., с.17-81.

30. М.Е.Герценштейн, Т.И.Козлова, В.В.Магнушевский, JI.Г.Соловей "Реализация корректора, трансформатора и режектора верхних частот на ступенчатой структуре", "Радиотехника", 1971 г., № 9, с.67-73.

31. А.В.Ипатов, А.А.Курбатов "Простой алгоритм расчета параметрического усилителя модульной конструкции", "Радиотехника", 1981 г., т.36, № 8, с.19-23.

32. В.М.Руденко, Ф.Б.Холшпш, В.Р.Магнушевский "Малошумящие входные цепи СВЧ приемных устройств", М., Связь, 1971 г., с.146-278.

33. G.L. Matthaei " IRE Trail, on microwave theory and techni ques" 1961, MTT- 9, 1И , p.23-38.

34. К.Грабовски "Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом", М., Сов.радио, 1974 г., с.17-68.

35. V.б. Rao, C.R.Raghunath,M. Limaye " I.Just Ellectronics and Telecommunication Eng." 1977, V.23,H5, p.282-286.

36. Ф.Б.Халяпин "Коаксиальные и полосковые фильтры сверхвысоких частот", М., Связь, 1969 г.

37. I.Whelehan, E.Kraemar, Н. Pacrkowski "Millimeter Wave Parampwith a solid- state pump source" The microwave Journal,1. November, 1973, p.35-37.

38. С.М.Клич "Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников", М., Сов.радио, 1973 г., с.245-248.

39. Д.Л.Маттей, Л.Янг, Е.М.Т.Джонс "Фильтры СВЧ. Согласующие цепи и цепи связи", М., Связь, 1972 г., С.10-59.

40. В.Я.Гольнев, Д.В.Корольков, Г.М.Тимофеева "Радиоастрономический метод измерения малых затуханий", Изв.ВУЗов, Радиофизика, т.16, Ш 12, 1973 г., с.1880-1884.

41. А.Б.Берлин, Л.Г.Гасанов, В.Я.Гольнев, Д.В.Корольков, Ю.Н.Парийский "Эксперимент Холод. Первый глубокий обзор неба на телескопе РАТАН-600", Сообщения Спец.астрофиз.обсерватории, выпуск 41, 1984 г., с.1-84.

42. ГД.В.Королъков|, А.В.Ипатов, В.В.Мардышкин "МКС MCMP-575H-I,2/45 в составе радиометра КР-4", Всесоюзная конференция "Микрокриогенная техника - 84", Тезисы докладов, Омск, 1984 г., с.131-133.

43. А.В.Ипатов, В.В.Мардышкин "Радиометр диапазона 4 см с шумовой температурой 20 К", Ж конф."Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы", Изд.АН Арм.ССР, Ереван,1982 г., с.75.

44. В.В.Витковский, А.Г.Горшков, А.В.Ипатов,(Д.В.Корольков!, В.В.Мардышкин "Глубокий обзор радиоисточников на частоте 7,7 Ггц на радиотелескопе РАТАН-600", Препринт САО АН СССР, № 12Л, Ленинград, 1984 г., с.1-30.

45. А.Г.Горшков, О.И.Хромов "Обнаружение дискретных источников радиоизлучения на фоне аппаратурных шумов", Астрофиз. исслед.Изв.Спец.астрофиз.обсерв., № 14, 1981 г., с.15-23.

46. Л.Н.Иванов "Алгоритм оптимального автоматического гаусс-анализа наблюдательных данных", Астрофиз.исслед.Изв.САО,1. II, 1979 г., с.213-219.

47. Д.В.Корольков, Н.А.Нижельский, Г.М.Тимофеева "Измерение абсолютной величины и относительной стабильности калибровочных сигналов радиометров РАТАН-600", XI-ая Всесоюзная конференция по аппаратуре и методам. Тезисы докладов, Ереван, 1978 г.

48. В.Н.Боровик "Измерение вертикальной диаграммы южного сектора с плоским отражателем РАТАН-600", Техн.отчет ОАО АН СССР, март, 1978 г., с.1-8.

49. I.U.Douglas, P.M. Bash, G.W.Torrence, С. Wolf" The Texas survey preliminary +18,5 strip", Univ. Texas Publ.Astron.1980, N17, p.140.

50. A.J. Shimmins, R.N.Manchester, I. Harris Beverly "Accurate fluxx densitties at 5009 MGz of 753 Radio Sources", Austral. J.Phys., Astrophys. Suppl. 1969,N8.

51. H-.Kuhr, V. Nouber, Paulini-Toth,A. Witzel, "A Catalogue of Radio Sources", Preprint N55, August, 1979.p1-132

52. W.J. Altenhoff, D.Downes, T. Pauls, J.Schraml " Survey of the Galaction Plane at 4,875GHz". Astron. Astrophys. Suppl.1978 N35, p.171.

53. A .E. Wright, D.L. Jauncey, J.G.Bolton, A. Savage "The Parkes 2700MGz survey; a resurvey at +4° declination zone. Astral©J.

54. Phys., 1982, V35. p.177-206

55. В.Р.Амирханян "Автоматизированная обработка и статистические характеристики обзора неба на РАТАН-600", Кандидатская диссертация, Москва, 1984 г., с.48-49.