Комплекс высокочувствительных криогенных радиометров сплошного спектра для глубоких обзоров и других астрофизических задач на РАТАН-600 тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

НИЖЕЛЬСКИЙ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 520. 272. 5

КОМПЛЕКС ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КРИОГЕННЫХ РАДИОМЕТРОВ СПЛОШНОГО СПЕКТРА ДЛЯ ГЛУБОКИХ ОБЗОРОВ И ДРУГИХ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА РАТАН-600

(01. 03. 02 - астрофизика и радиоастрономия)

Диссертация в форме научного доклада

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Архыз - 1992

Работа выполнена в Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук.

Научный руководитель: член-корреспондент РАН

Ю.Н. Парийский (ОАО РАН)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор H.A. Есепкина (СПб ТУ)

кандидат физико-математических наук, доцент В.Г. Нагнибеда (СПб ГУ)

Ведущая организация: Астрокосмический центр РАН, г.Москве

Защита диссертации состоится Окм?й*> 1992 год?

в /у час. № мин. на заседании специализированного советг (шифр Д 003.35.01) по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Специальной астрофизической обсерватории РА1 (357147,п.Нижний Архыз Карачаево-Черкесской автономной республики САО РАН).

Отзыв на диссертацию в двух экземплярах, заверенный печаты учревдения, просим направить по вышеуказанному адресу на им! ученого секретаря специализированного совета.

Диссертация в форме научного доклада разослана "_"_1992г

Ученый секретарь специализированного совета канд. физ.-мат. наук

/7

В.К. Майорова

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуалъность_темы. В настоящее время радиотелескоп PATAH-60Ó продолжает оставаться в ряду не только крупнейших, но и перспективных радиотелескопов мира, и его предельные возможности реализованы далеко не полностью. Особенности его антенной системы (рефлекторность, многочастотность, ослабление флуктуации атмосферы большими размерами апертуры, низкий шум разрешения и др.) позволяют эффективно использовать приемную аппаратуру предельной чувствительности, поэтому ее разработка всегда остается весьма актуальной задачей. Не менее важное значение имеет выбор наиболее эффективных режимов работы радиотелескопа. К таким режимам как раз и относятся глубокие обзоры неба. В работе обсуждаются проблемы, связанные с разработкой комплекса высокочувствительных радиометров сплошного спектра нового поколения, его исследованием и использованием в длительных наблюдательных программах.

Цель_работы состоит в анализе результатов, полученных после проведения первых глубоких обзоров неба на радиотелескопе РАТАН-600, учете их при проектировании комплекса новых криогенных радиометров и его модернизации, а также разработке предложений по перспективному развитию комплекса.

Научная_новизна_работы. I. Впервые на РАТАН-600 создан комплекс приемной аппаратуры из 4-х криогенных радиометров сплошного спектра, используемый наблюдателями GAO и других научных центров как для проведения глубоких обзоров неба, так и для ряда других астрофизических задач. 2. Разработан, исследован и успешно эксплуатируется 'в составе комплекса криорадиометр диапазона 2,7 см с полевыми транзисторными усилителями на входе и чувствительностью 4,5 мК/с1/г. На этой волне получен ряд новых астрофизических результатов fe области галактической и внегалактической радиоастромии и наблюдательной космологии. 3. Впервые детально исследованы в длительных наблюдательных программах микрокриогенные системы (МКС) водородного уровня охлаждения с замкнутым гелиевым циклом двух типов, особенности и возможности их применения в приемной радиоастрономической аппаратуре. 4. Впервые разработан, испытан и используется в наблюдениях трехчастотный комплекс радиометров на волны 1,0; 2,7 и 6,3 см в общем азотном криостате заливного типа,

предназначенный для длительной автономной работы.

На защиту выносится:

1. Результаты анализа особых требований к приемно-измери-тельному комплексу РАТАН-600 с учетом его специфики и задач.

2. Оценка факторов, ограничивающих чувствительность на больших временных масштабах, и метода борьбы с ниш.

3. Разработка, изготовление, испытания, ввод в эксплуатация криорадиометра на волну 2,7 см с флуктуационной чувствительностьк 4,5 мК/с1/г.

4. Участие в разработке, комплексная наладка, ввод в эксплуатацию, исследование характеристик и модернизация трехчастотногс комплекса радиометров на волны 1,0; 2,7 и 6,3 см.

Б. Методика абсолютной калибровки радиометров по антенной температуре.

6. Предложения о путях дальнейшего развития и совершенствования комплекса радиометров континуума.

Прзктическая_ценность_работы. Внедрение проведенных разработок и исследований позволило: а) оснастить радиотелескоп РАТАН-60С комплексом из 4-х высокочувствительных радиометров нового поколения; б) осуществить "прорыв" по чувствительности, достигнутый е диапазоне- 7,6 см на других, более коротких волнах; в) за короткое время перевести на полевые транзисторные усилители, водородны® уровень охлаждения и модернизировать с повышением чувствительности еще 2 радиометра диапазонов 1,4 и 3,9 см; г) сформулировать предложения по дальнейшему развитию и совершенствованию комплексе с целью улучшения его технических и эксплуатационных характеристик .

Ащюбация^эаботы'. Основные результаты работы докладывались ш П-Й, 14-й, 17-й и 21-й Всесоюзных конференциях по радиоастрономической аппаратуре (Ереван, 1978, 1982, 1985, 1989); на Рабочее группе советско-германского сотрудничества в области радиоастрономии (.Ленинград, 1982); на 16-й и 17-й Конференциях молодых европейских радиоастрономов (Гетеборг, Швеция, 1983, Зеленчукская, 1984); на Рабочем совещании НАТО по наблюдательным тестам космологическоЯ инфляции (Дарем, Англия, 1990); на Конференции по переменности квазаров (Турку, Финляндия, 1991); на 23-й Всесоюзной конференции "Галактическая и внегалактическая радиоастрономия" (Ашхабад,1991);

на конкурсах-конференциях научно-технических работ CAO и радиоастрономических семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.

ВВЕДЕНИЕ. Глубокие обзоры неба - одно из фундаментальных направлений современной радиоастрономии, и на РАТАН-6С0 они занимают важное место среда других астрофизических задач. В этом режиме наиболее полно реализуются огромные потенциальные возможности PATÂH-600, отличающие его от других инструментов: многочастот-ность, большая чувствительность по поверхностной яркости, большой "динамический" диапазон, большое "суточное поле зрениия" и др. Эти особенности РАТАН-600 должны учитываться при разработке комплекса радиометрической аппаратуры нового поколения. Не менее важно и оптимальное использование заложенного ресурса приемно-измеритель-ной аппаратуры, (особенно при массовом использовании микрокриогенных систем), вычислительной. техники и оборудования радиотелескопа. Наконец, значительная часть особых требований к радиометрическому комплексу связана с анализом успехов и ошибок при проведении первых глубоких обзоров на PATAH-GQO.

Уже при проведении "доратановских" обзоров (БПР,1972,[13) после осреднения полученных записей наблюдатели столкнулись с неприятной ситуацией, когда даже невысокая чувствительность радиометра реализовывалась полностью только на масштабах меньше градуса, а на всех масштабах больше 1° чувствительность ограничивалась шумом атмосферы. При осреднении 22 суточных записей одного из первых глубоких обзоров на РАТАН-600 (1980,[2])с использованием высокочувствительного криорадиометра диапазона 7,6 см обнаружилось, что шумы радиометра доминировали только на масштабах 5'- 10'. На периодах от нескольких часов до суток реальная чувствительность отличалась от теоретической (пропорциональной I/V57, где n - число записей) на несколько порядков, на самых же малых масштабах, сравнимых с размером диаграммы направленности радиотелескопа, преобладал шум разрешения слабых фоновых радиоисточников (confusion). Таким образом, при проектировании аппаратуры для проведения обзоров неба разработчик непременно сталкивается с проблемой приближения реализуемой чувствительности к расчетной на всех масштабах.

РАЗДЕЛ I. I. Постановка задачи. Реализация чувствительности радиометра, близкой к предельной, даже на оптимальных временных масштабах на практике представляет собой непростую задачу. Приходится решать целый комплекс проблем: использования современной элементной базы, глубокого охлаждения входных каскадов усилителей, минимизации потерь'во входных трактах, улучшения стабильности источников питания, точности термостатирования элементов и узлов аппаратуры и т. д. Флуктуационная чувствительность системы радиотелескоп - радиометр, как известно ГЗ], описывается формулой

ДТШ = « Тс//АГт,

где Тс- суммарная шумовая температура системы, дГ - ширина полосы принимаемых частот, т - постоянная времени выходного фильтра, о -коэффициент, зависящий от схемы радиометра.

Для реализации хорошей чувствительности системы на малых масштабах времени необходимо решать задачи I) минимизиции шумов Тс (СВЧ приемника, тракта ТТр и антенны Та) и 2) обеспечения кратковременной стабильности шумов приемника и коэффициента усиления G. При увеличении времени накопления до часов и суток, кроме двух этих задач, приходится решать более сложную проблему борьбы со многими мешающими факторами, и на деле реальная, чувствительность описывается не указанной выше формулой, а суммой

дТ® = ДТг + гдТг,

Ы I

где aTl- среднеквадратичные флуктуации помех, обусловленные внешними и внутренними факторами. Из-за негауссового характера составляющих второго члена реальные флуктуации на выходе радиометра могут в сотни раз превышать тепловые шумы дТи, для которых только и действует радиометрический выигрыш в первой формуле. Это

1) - вариации вклада излучения земли Т3 (щели мевду щитами, переоблучение главного зеркала) в Т0 и вариации шумовых температур входных трактов при изменении окружающей температуры;

2) - флуктуации собственного излучения атмосферы;

3) -влияние фона слабых неразрешенных источников (confusion);

4) - помехи земного и космического происхождения;

5) - вариации, обусловленные механическими вибрациями от МКС;

6) - долговременная нестабильность температуры криостатирова-ния, вызванная различными факторами, и др.

2. Оценка мешающих факторов и методы борьбы с ними.

1. Вариации вклада Тд в Та и вариации ТТр при изменении физической температуры особенно сказываются в утренние и вечерние часы. К сожалению, эти составляющие одной природы и близки по величине, поэтому их трудно разделить. По нашим расчетам 1-я составляющая может давать уходы нулевого уровня 50-70 мК/час, 2-я -до 100-150 мК/час при однолучевом приеме и потерях в тракте 0,2-0,3 дБ. При двухлучевом режиме работы (сканировании) эти вклады снижаются на порядок. Следует заметить, что снижение потерь во входных трактах важно не только как фактор, понижающий Тс, но и по этой причине. При двухлучевом приеме целесообразно добиваться лучшей симметричности плеч тракта [4] и симметричного расположения модулятора в криостате. На входных трактах радиометров в последнем цикле обзора "Холод" использовались пассивные термостаты и тепловые "шунты" из медных жгутов для выравнивания физических температур плеч. Ведутся работы по активному термостатированию трактов.

2. Флуктуации собственного излучения атмосферы на волнах ™ -2

короче 7 см растут пропорционально х , поэтому, начиная с волны

6,3 см, применение двухлучевого приема принципиально при разработке радиометров. При наблюдениях точечных радиоисточников практика показала эффективность применения "близкого" сканирования с разносом первичных облучателей вплоть до диаметра раскрыва (1,2-1,5*)• Не менее важно и использование многоволновости для последующей "чистки" записей. Стоит, однако, отметить, что для "чистки" с использованием корреляции излучения атмосферы на более коротких волнах, необходимо иметь в этом диапазоне чувствительность, близкую к «чувствительности основной волны, иначе эта процедура будет вносить значительные ограничения, что и имело место в первых обзорах. Сейчас,, при наличии на РАТАН-600 высокочувствительных коротковолновых радиометров, такие возможности заметно возросли. '

3. Так как шумы разрешения снижаются пропорционально х2,73 [21, принципиально важно использование более коротких волн. При переходе с волны 7,6 см на волну 2,7 см выигрыш составляет 17 раз. Значительно снизить их величину позволяет также использование

таких режимов работы радиотелескопа РАТАН-600, как околополюсный синтез на Южном секторе или сбор в зените с использованием всего кольца.

4. На волнах длиннее 7 см значительную проблему на РАТАН-600 представляет работа в условиях высокого уровня электромагнитных помех (системы зажигания двигателей, электросварка, выоковольтные ЛЭП, локаторы различных назначений, коллекторные электродвигатели, системы космической и наземной связи, телевидения и др.). Ситуация осложняется растущей плотностью потока радиопомех с одной стороны, повышением чувствительности приемных устройств с другой, а также тем, что для'достижения предельной чувствительности в радиометрах необходимо использовать максимально широкие полосы частот. Интересно отметить, что период наибольшей интенсивности радиопомех в диапазонах 7,6 и 31 см во время последнего обзора "Холод" совпал с началом боевых действий в Персидском заливе.

Условно помехи можно разделить по длительности на две категории: короткие импульсы (¿-импульсы) и сравнимые по длительности с шириной диаграммы направленности. Для борьбы с первым типом помех на РАТАН-600 в течение нескольких лет успешно используются специально разработанные по нашему заказу (НИРФИ, г. Н.Новгород) .[5,6] устройства подавления импульсных помех, устанавливаемые между радиометром и системой сбора информации. Эти устройства дают существенный эффект, однако полного помехоподавления не происходит, особенно при мощных помехах, поэтому полезно применять дополнительные меры при- обработке записей. Весьма эффективно в этом отношении использование автоматизированных робастных процедур сжатия данных для фильтрации мощных импульсных помех С7]. Борьба с более длительными помехами затруднена, одной из мер является опять-таки переход с помехоопасных диапазонов на более короткие волны.

5. Применение в криорадиометрах микрокриогенных систем сопряжено с целым рядом дополнительных проблем. Одна из основных - циклическое движение блока вытеснителей (поршня) в охладителе с частотой 1,17 Гц, вызывающее вибрацию криостата и входного тракта и, соответственно, квазисинусоидальную составляющую на выходе радиометра. На волне 2,7 см ухудшение чувствительности из-за этого фактора может достигать до 2 раз. Проблема обостряется в

коротковолноволновой части сантиметрового диапазона, во-первых, из-за уменьшения размеров и механической прочности деталей усилителей и волноводных элементов, во-вторых,' из-за сравнимости времени прохождения источников через диаграмму направленности с периодом помехи, что затрудняет возможности "чистки" при обработке. При одновременной работе нескольких (в настоящее время 4-х) МКС возможно взаимное влияние и передача механических вибраций через металлоконструкции приемной кабины на другие радиометры. В конечном итоге проблема борьбы сводится к повыкЭнию устойчивости конструкций охлаждаемых усилителей к вибрациям и термоцикли-рованию, аккуратной сборке СВЧ трактов (применение утолщенных волноводных фланцев, пружинных прокладок между ними, специальных винтов и гаек), а также тщательному проведению сервисных работ на ЖС.

6. Вторая особенность МКС - зависимость физической температуры криостатирования от давления рабочего газа (гелия) в охладителе, то есть от температуры воздуха в компрессорной кабине и температуры металлорукавов, подводящих газ (при отсутствии утечек). На отлаженной системе максимальное отклонение (минимум - максимум) ' температуры криостатирования, измеряемое непосредственно на фланце 1-й ступени охлаждения (50 К) составляет около 0,06 К в течение часовой записи, для 2-й около 0,04 К/час на уровне 12 К. Следует также иметь ввиду, что на фланце 2-й ступени охладителя температура не постоянна, а представляет собой синусоиду с амплитудой около 0,2 К и частотой 1,17 Гц, соответствующей частоте вращения электродвигателя охладителя 70 об/мин. На отдельных элементах охлаждаемого радиотехнического устройства стабильность температуры из-за демпфирования хладоводами на порядок лучше, чем на самом фланце охладителя (от 0,016 до 0,055 К/час). При изменении температуры криостатирования (с помощью регулируемого подогрева) на фланце 2-й ступени на I К на волне 7,6 см отмечен уход нулевого уровня порядка 100 мК, на волне 2,7 см (двухлучевой режим) уход не превышает ошибки измерений. Тем не менее при двухлучевом режиме настройка модулятора зависит от его физической температуры и свойств феррита, и этот элемент может являться дополнительным источником нестабильности. По нашим оценкам, в компрессорной и СВЧ кабинах необходимо поддерживать температуру с точностью 1-2°С.

РАЗДЕЛ 2. УСТРОЙСТВО КОМПЛЕКСА

1.Выбор волн и схем радиометров. На 1990 год планировалось на РАТАН-600 проведение глубокого обзора неба "Холод-90" с целью исследования мелкомарштабных флуктуаций реликтового фона Вселенной. Центральной волной для этой программы была выбрана, исходя из перечисленных выше требований волна 2,7 см. Выбор малошумящего усилителя всегда компромисс между предельными параметрами и реальными возможностями отечественной элементной базы. С учетом перспективности в качестве входных были выбраны усилители на полевых транзисторах и водородный уровень (15 К) охлаждения для реализации требуемой чувствительности. Трехчастотный криорадиометр на волны 1,0; 2,7 и 6,3 см азотного (80 К) уровня охлаждения также разрабатывался для этих же целей и для выполнения самостоятельных задач с длительным ресурсом работы. В диапазонах 1,4 и 3,5 см проведена реконструкция штатных радиометров с заменой параметрических телей на криотранзисторные.

Охлаждение входных усилителей до 15 К и модуляторов с магнитной памятью до 50 К (на волне 3,9 см модулятор также охлаждается до водородного уровня температур) микрокриогенными системами замкнутого цикла позволило реализовать в диапазонах 1,4; 2,7 и 3,9 см чувствительность, близкую к предельной на данном типе усилителя, однако заставило решать уже упоминавшиеся проблемы устойчивости входных волноводных трактов и элементов криоблоков к механическим вибрациям от охладителей, снижения теплопритоков в криостатах, усложнения обслуживания, ограниченности ресурса МКС. В трехчастот-ном блоке радиометров входные усилительные каскады и модуляторы размещены в общем заливном азотном криостате. Здесь решались задачи компромиссного сочетания требований по чувствительности, универсальности, габаритам, объему и стомости обслуживания при отсутствии ограничений на ресурс работы.

2. Структура и режимы работы радиометров. Все радиометры построены по схеме прямого усиления. Блок-схемы всех радиометров идентичны, что повышает надежность работы, упрощает обслуживание, управление и возможность модернизации. Каждый радиометр может работать либо в . двухлучевом режиме приема (модуляционная квазинулевая схема со сканированием), либо в однолучевом режиме

(схема с пилот-сигнлом и модуляцией коэффициента передачи)[3].

В режиме двухлучевого приема модулятор находится в динамическом режиме переключения. Точное приближение к квазинулевому методу регистрации (компенсация) достигается регулировкой мощности генератора шума при помощи аттенюаторов на р-i-n диодах с цифровым управлением. Мощность от этого генератора шума, модулированного меандром, постоянно поступает в оба плеча тракта через направленные ответвители. Выбором фазы модуляции (0° или 180°) относительно напряжения, управляющего входным модулятором, достигается эквивалентное включение шумового сигнала только в одно из плеч тракта. В этом режиме модулятор коэффициента передачи выключен.

В режиме однолучевого приема одним из первичных облучателей модулятор фиксируется в режиме вентиля (статический режим). Включается модулятор коэффициента передачи. Для достижения квазинулевого метода регистрации мощность генератора шума, поступающая в тракт через ответвитель, регулируется при помощи тех же аттенюаторов. Однако, в этом режиме для достижения компенсации необходима мощность подшумливания на 1-2 порядка больше, чем в предыдущем режиме сканирования, поэтому один из аттенюаторов задает область регулирования мощности, а второй обеспечивает точную регулировку ее уровня (IQ двоичных разрядов). ■

Второй генератор шума необходим для подачи калибровочных сигналов (1-3 К) в' одно из плеч тракта.

Генераторы шума, диодные аттенюаторы с платами питания и управления, а также модуляторы коэффициента передачи, неохлаждаа-мые транзисторные усилители, СВЧ детекторы и предварительные усилители низкой частоты каждого радиометра размещены в двух отдельных блоках и термостатированы на уровне 305 - 0,1К.

Управление радиометрами (включение калибровок, компенсация) -дистанционное, через интерфейс • КАМАК, выполняется с выносного пульта вручную или от ЭВМ сбора данных. Радиометры также оперативно тестируются этой ЭВМ по интегральным характеристикам (чувствительность, усиление, стабильность) с помощью специальной программы или в ходе регистрации.

3. Охлаждаемые транзисторные усилители (ОТрУ). Каскады ОТрУ сконструированы на базе коаксиальной линии или гребневого

Н-оОразного волновода. В усилителях применены бескорпусные СаАз полевые транзисторы (все - разработка НПО "Сатурн", Киев) 19] с размерами затворов от 0,3 до 0,5 мкм в зависимости от диапазона. Многокаскадная сборка (3-5 каскадов) обеспечивается последовательным включением каскадов через вентили.

Технические данные входных усилителей и реализованные на средних углах возвышения антенны РАТАН-600 чувствительности радиометров приведены в таблице I:

Волна Центр. Полоса Тфиз Число Усиление ТУ Тсист Реализоз.

част. ус-ля касг. ус-ля чувств.

см ГГц ГГц К дБ К К иК/с1/г

1,0 30,0 2,0 80 5 35 150 350 12

2,7 11,2 1,0 80 3 30 60 140 7

6,25 4,8 0,8 80 2 26 35 90 5

2,7 11,2 1,0 15 3 28 45 100 4,5

1,4 21,6 2,1 15 4 32 75 150 9

3,9 7,7 0,8 15 3 32 30 85 5

4.Особенности_эксплуатации. При разработке конструкций приемных устройств большое внимание уделялось эксплуатационной надежности и упрощению обслуживания комплекса. Радиометры с глубоким охлаждением уже более 10 лет круглосуточно эксплуатируются со специально разработанными устройствами автоматического запуска охладителей и компрессорных установок после бросков напряжения в сети или кратковременного прекращения подачи электроэнергии, наработка в течение года составляет около 7-8 тыс. часов на каждый криора-диометр. Практикуется одновременная работа двух криогенных радиометров от одной компрессорной установки для экономии ресурса МКС.

Криостат трехчастотной системы емкостью 42 литра удерживает жидкий азот после полной заправки не менее 75 часов. Заправка производится три раза в неделю из 500-литровой цистерны, установленной снаружи приемной СВЧ кабины. Доливка ее осуществляется I раз в две недели из транспортной цистерны такого же типа.

При работе радиометров в режиме однолучевого приема с пилот-сигналам из-за недостаточного быстродействия серийных р-1-п аттенюатороз, используемых в качестве модуляторов коэффициента передачи,. имеет место просачивание пилот-сигнала через не успевающий вовремя закрыться модулятор. На выходе предварительного усилителя низкой частоты (ПУНЧ) в таком случае видны импульсы переходного процесса длительностью 10-20 мкс, являющиеся дополнительным источником нестабильности и мешающие эффективной работе устройств подавления импульсных помех. Для решения этой проблемы разработан специальный ПУНЧ с бланкированием таких импульсов.

Практика показала хорошую стабильность и высокую надежность криотранзисторных усилителей в длительных наблюдениях. Усилители не требуют подстройки со временем, несложное питание и простота эксплуатации по сравнению с другими типами усилителей говорят сами за себя. Улучшающиеся с каждым годом шумовые параметры новых разработок транзисторных усилителей и их продвижение в коротковолновую часть сантиметрового диапазона делают их весьма перспективными для радиоастрономии. Следует особо отметить, что конструкции наших входных блоков "открыты" для дальнейшей модернизации. С появлением в ближайшем будущем отечественных или приобретением зарубежных транзисторов типа НЕМТ (см. раздел 4) станет возможным за весьма короткий срок значительно улучшить параметры криоусилителей, сделать еще один шаг к созданию "предельных" радиометров на РАТАН-600.

5. Калибровка радиометров по температуре антенны. Для точного измерения яркостных температур протяженных объектов имеет большое значение абсолютная калибровка радиометров по антенной температуре . Текущая калибровка записей производится путем программного включения калибровочных шумовых сигналов во входные тракты радиометров через направленные ответвители. Абсолютная привязка этой калибровочной ступеньки производится с помощью охлаждаемых жидким азотом согласованных нагрузок, подключаемых на место первичных облучателей и представляющих собой кресты из поглощающих пластин в круглых волноводах. Азот заливается непосредственно в волновод, а калибровочная разность температур получается путем изменения температуры кипения азота при изменении давления в нагрузке.

Температура кипения азота зависит от давления следующим образом:

Таз = 77,36-0,011(760-Р), где Р - давление в мм.рт.ст.

Повышая давление в криостате нагрузки (путем частичного закрывания регулируемого клапана), мы легко получаем ступеньку 1-2 К. Давление нами не регистрируется, а непосредственно измеряется термопарой разность температур азота в открытом сосуде Дьюара и в нагрузке под давлением. Этот метод калибровки обладает следующими положительными особенностями:

а) измерения прямые, отпадает необходимость учета потерь тракта;

б) исключается перегрузка малошумящих усилителей и ошибки за возможную нелинейность усилительных трактов;

в) обеспечивается малая инерционность нагрузок, отсутствие градиентов температуры;

г) дифференциальность метода позволяет пренебречь влиянием КСВН нагрузки и потерями в соединительной секции (менее Ю-4 при КСВН в азоте 1,15);

д) на всех рабочих волнах комплекса аппаратуры измерения производятся одной и той же термопарой.

Метод позволяет проводить абсолютные калибровки радиометров с точностью не хуже +3-5%. Несмотря на длительность применения, метод не устарел и является единственным для такого рода работ. Альтернативой ему может быть только получение калибровочной ступеньки от согласованной нагрузки, криостатированной на уровне 15 К с помощью МКС и подогреваемой на 1-2 К. Точность измерения температур до сотых долей градуса и выше могут обеспечить используемые нами полупроводниковые термометры сопротивления ТПК.

РАЗДЕЛ 3. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСА РАДИОМЕТРОВ

I. Описываемый комплекс радиометров является частью штатного комплекта приемной аппаратуры для многочастотных наблюдений в континууме. Из проведенных на нем наблюдательных программ можно выделить следуицие:

а) многосуточный обзор по программе "Холод-90" с целью обнаружения мелкомасштабных флуктуаций реликтового фона Вселенной. На волне 2,7 см получен новый предел мелкомасштабной анизотропии 3-К излучения около 2,8-10~4 на масштабах 18"-88", который может быть объяснен вкладом дискретных источников;

б) программа "Переменность квазаров" - исследование долговременной переменности мгновенных спектров излучения активных внегалактических объектов в диапазоне от 1,0 до 31 см. Обнаружены многолетние закономерные изменения спектров некоторых квазаров, отличающиеся от стандартной модели переменности радиоисточников;

в) глубокий обзор южного неба по программе САО-ГАИШ. Обнаружено около 150 радиоисточников с потоками больше 10 мЯн;

г) исследование фазового хода радиоизлучения Меркурия;

д) исследование спектров радиоизлучения дискретных источников в широком диапазоне волн для изучения физической природы объектов;

е) программа исследования переменности и спектров из Зелен-чукского обзора (САО-ГАИШ);

ж) обзор плоскости Галактики с целью исследования спектров дискретных источников и крупномасштабной (-5°) структуры;

з) исследование спектров остатков сверхновых с целью измерения интегральных потоков малоизвестных ОСН, уточнения их спектральных индексов;

и) программа наблюдений мерцаний радиоисточников на неодно-родностях межпланетной плазмы с целью исследования структуры и параметров различных областей солнечного ветра. Многоволновость комплекса и возможность двухлучевого приема позволяют наблюдать источники в большом диапазоне расстояний от Солнца (от 3 до 25

и исключать его мощное фоновое излучение.

2. Наряду с наблюдательными программами на радиометрическом комплексе проведены методические работы:

а) измерение шумовой температуры антенной системы РАТАН-600 на всех длинах волн и углах возвышения (исследование оптимальности облучения главного зеркала, эффективности противошумовых экранов ("закрылков") и др.);

б) оптимизация первичных облучателей по измерениям эффективной площади и шумовой температуры антенны;

в) исследование тропосферного поглощения в реальных наблюдениях с применением метода "вертикальных разрезов" атмосферы для определения коэффициента поглощения и к.п.д. антенны;

г) уточнение электродинамических характеристик РАТАН-600, исследование зависимости эффективной площади антенны от высоты

У

источника, длины еолны при различных режимах работы радиотелескопа;

д) изучение переменности этих характеристик в наблюдениях, определение ограничений, вносимых антенной, в исследования переменности радиоисточников и др.

РАЗДЕЛ 4. ПУТИ ПЕРСПЕКТИВНОГО РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОМПЛЕКСА РАДИОМЕТРОВ КОНТИНУУМА

1.Состав комплекса. Набор волн для работы в континууме должен учитывать стремление пользователей к максимально плотному заполнению частотного диапазона РАТАН-600, общепризнанные радиоастрономические длины волн и частоты спектральных линий, пригодность набора набора волн для большинства астрофизических задач, а также возможность сравнения результатов наблюдений с зарубежными данными. Максимальную остроту приобретает в настоящее время и электромагнитная обстановка в выбранном диапазоне частот. С другой стороны, в одну приемную кабину (облучатель) можно установить не более 6-7 высокочувствительных радиометров (следует учитывать не только и не столько проблему размещения первичных облучателей в фокальной линии, но, в первую очередь, дефицит места для максимально коротких входных трактов и криостатов в пространстве под ней). В последнем варианте размещения на облучателе Ш установлены 6 радиометров в диапазоне от 1,4 до 31 см, из них 4 с глубоким охлаждением до 15 К. Период количественного расширения набора волн здесь завершен, в дальнейшем возможна только смена радиометров под определенные наблюдательные программы.

2. Входные малошумящие усилители. Преимущества усилителей на полевых транзисторах по сравнению с усилителями на отрицательном сопротивлении очевидны: отсутствие циркуляторов и генераторов накачки, более высокая стабильность коэффициента усиления из-за

отсутствия регенерации, малый вес и габариты, гораздо более низкая стоимость. По шумовым параметрам ТрУ на ПТ [8,9] быстро прогрессируют и на волнах длиннее 10 см практически сравнялись с параметрическими усилителями. Однако продвижение их в область крайне высоких частот сталкивается с рядом принципиальных ограничений. Реальную альтернативу традиционным полевым транзисторам с барьером Шоттки представляют криоусилитэли на транзисторах с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistors - HEMT) [10,11], имеющие в рабочем диапазоне частот РАТАН-600 шумовую температуру ТЩ(К), численно равную 1-1,5 fQ(ГГц). В сочетании с успешным зарубежным опытом применения таких усилителей в приемных устройствах самого различного назначения [12] это делает их весьма перспективными для использования в отечественной высокочувствительной радиоастрономической аппаратуре. Следует особо подчеркнуть, что наиболее эффективно использование усилителей такого типа при охлаждении до 15 К, и на РАТАН-600 есть все условия для их быстрого освоения.

3. Схемы радиометров.. Режим работы радиометров по схеме с пилот-сигналом в коротковолновой части сантиметрового диапазона встречает значительные трудности как в реализации, так и в обеспечении долговременной стабильности. Для наблюдений протяженных источников в криорадиометрах перспективен режим однолучевого приема с внутренней согласованной нагрузкой, термостатируемой на уровнэ 15-20 К (охлаздение от МКС с регулируемым подогревом на несколько градусов). Этот режим имеет определенные преимущества в части оптимизации тракта, улучшения стабильности, управления переключением с двухлучевого режима на однолучевой от ЭВМ при помощи второго переключателя с магнитной памятью. Эта же нагрузка может служить, как уже упоминалось в разд. 2, и для абсолютной .калибровки радиометра по антенной температуре.

Еще один путь уменьшения шумов системы и повышения чувствительности - двух- и многоканальные безмодуляторные схемы [15], освоение режима "программного сканирования"(software switching)[16]. Очень заманчиво также освоение режима полной мощности (total power), последнее возможно по мере повышения стабильности коэффициентов усиления и шума активных элементов радиометров.

4. Входные_тракты. Применение малошумящих входных усилителей уже сейчас требует максимальной оптимизации волноводных трактов, отказа от универсальности и перехода на сменные тракты под различные астрофизические задачи. О необходимости термостати-рования трактов уже говорилось выше, тем более что нередко приходится решать проблему запотевания слюдяных перегородок в гермо-вводах криостатов путем подогрева гермовводов до температур выше точки росы. Необходимым условием внедрения в практику следующего поколения малошумящих транзисторных усилителей типа НЕМТ является, по нашему мнению, охлаждение входных трактов до криогенных температур. Эта проблема потребует разработки радиопрозрачных окон с инфракрасной изоляцией для ввода сигнала в криостат и новых методов калибровки радиометров. Работы по охлаждению трактов могут вестись уже сейчас с использованием существующей элементной базы, чтобы затем лишь заменить усилители.

5. Поляризационные измерения. Применение в радиометрах сплошного спектра прецизионных .поляризационных приставок разработки НИРФИ (г.Нижний Новгород) [13] позволяет одновременно (или раздельно) наблюдать три параметра Стокса (1,0,и) и обеспечивать погрешность измерений линейной поляризации не более 0,5 -1,5%. Однако, с одной стороны, это заметно ухудшает чувствительность измерений по интенсивности (до 20% на волне 7,6 см), с другой стороны ограничивает длительность поляризационных наблюдений по соображениям надежности механического вращателя линейной поляризации. Кроме того, весьма проблематичной становится задача охлаждения входных трактов для реализации предельной чувствительности. Альтернативное решение проблемы - охлаждаемый'разделитель круговой поляризации плюс элементы корреляционного радиометра в случае варианта "предельного" радиометра.

6. Автоматизация контроля и управления. В условиях роста числа радиометров, одновременно участвующих в наблюдениях, их чувствительности, количества и сложности вспомогательного оборудования становится просто необходимым расширение и совершенствование системы контроля. и управления комплексом радиометров от ЭВМ. Радиометры должны оперативно тестироваться не только по интегральным характеристикам, но и по состоянию отдельных блоков и узлов. ЭВМ должна взять на себя также функции контроля

стабильности питающей сети, рабочих параметров МКС (температур криостатирования, давления рабочего таза, термостатирования компрессорной и СВЧ кабин), регистрации изменения'погодных условий и т.д. Знание этих параметров, их вариаций и взаимной корреляции при обработке многосуточных записей имеет неоценимое значение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Перечнел™_основще _результаты_работы:

Г. Разработан, создан, исследован и введен в постоянную эксплуатацию на РАТАН-600 комплекс из 4-х высокочувствительных криогенных радиометров для наблюдений в континууме.

2. На базе проведенных исследований модернизированы и пере-'ведены на водородный уровень охлаждения и нолевые транзисторные усилители еще 2 радиометра с повышением чувствительности вдвое.

3. Показано, как долговременная нестабильность параметров радиометров и наличие мешающих факторов резко снижают возможности многосуточного накопления информации. Разработаны конкретные предложения по обеспечению долговременной стабильности параметров комплекса и методы борьбы с мешающими факторами.

4. Показано, что перевод радиометров комплекса на охлаждаемые усилители с полевыми транзисторами был своевременным и оправданным. Все радиометры нового поколения имеют хорошие эксплуатационные характеристики и шумовые параметры, близкие к предельным на данном типе входного усилителя, последние могут быть значительно улучшены с переходом на транзисторы типа НЕМТ.

5. Изложены результаты исследований, рекомендации и многолетний опыт применения в радиоастрономической аппаратуре микрокриогенных систем замкнутого цикла.

6. Показано применение высокочувствительного комплекса для решения ряда астрофизических и методических задач.

7. Сформулированы предложения по модернизации и перспективному развитию, комплекса с целью улучшения его технических и эксплуатационных характеристик.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

А1. А.В.Ипатов, Д.В.Корольков, Е.К.Майорова,Н.А.Никольский,Г.Н.Ти-лофеева, А.А.Стоцкий. Шумовая температура антенны радиотелеско-

па РАТАН-600: анализ составляющих и возможностей снижения.//Сб. тезисов докладов 11-й Всесоюзн. радиоастрон. конф. по апп-ре, антеннам и методам, Ереван, 1978, с.165-166.

12. Д.В.Корольков, Н.А.Нижелъский, Г.М.Тилофеева. Измерение абсолютной величины^и относительной стабильности калибровочных сигналов радиометров РАТАН-600.//Сб. тезисов докл.II-й Всес.радиоастр.конф.по апп-ре, антеннам и методам, Ереван,1978,с.205-206.

A3. А.Б.Берлин, Е.В.Булаенко, В.Я. Голънев, В.И.Докучаев, В.В. Кононов, Д.В.Корольков, Н.Ы.Лтовка, М.Г.Милгалиев, М.Н. Наугольная, Н.А. Нижелъский, Ю.Н. Парийский, З.Е.Петров, Т.Б.Птунина, Е.Е.Спангенберг, С.А.Трушкин, Л.Ж.Шарапова и С.Н.Юсупова. Глубокий обзор неба на волне 7,6 см с помощью радиотелескопа АТАН-600.//Письма в AS, т 7, Я 5, 1981, 290-294.

A4. А.Б. Берлин, Л.Г.Гассанов, В.Я.Голънев, Д.В.Корольков, В.И.Ле-бедь, Н.А. Нижелъский, Е.Е.Спангенберг, Г.М.Тилофеева, А.В.Яре-ленко. Радиотелескоп РАТАН-600 в режиме низких собственных шумов. //Радиотехника и электроника, 1982, 27, 7, с.1268-1273.

А5. Д.В. Корольков, Н.А. Нижелъский, Г.М.Тилофеева. Методика и результаты измерений шумовой температуры РАТАН-600.//С6 тезисов докл. 14-й Всесоюзн. радиоастрон.конф., Ереван, 1982,с.208-209.

А6. А.Б.Берлин, Л.Г.Гассанов,В.Я.Голънев,Д.В.Корольков,В.И.Лебедь, Н.А.Нижелъский, Е.Е.Спангенберг, Г.и. Тимофеева, А.В. Яреленко. Криорадиометр на волну 7,6 см и опыт его эксплуатации на РАТАН-600. //Сб. тезисов докладов 14-й Всесоюзн. радиоастрон. конф., Ереван, 1982, c.IIO-III.

А7. N.A.NlzhefsklJ. Deep sky survey with radiotélescope RATAN-600.//16th Young European Radio Astronomers СопГег.(YERAC), Go-teborg, Sweden. Abstracts, 1983.

A8. V.V.VitkovsMJ, N.A.Nizhel'aMJ, S.A.Truahkin. A radio survey in the Origem Loop région.//17th YERAC, Abstracts, Zelenchuk-skaya, 1984, p.27.

A9. Г.Ы.Афанасьев, А.Б.Берлин, В.Я.Голънев, А.В.Игштов.Н.А.Нижель-ский, Г.И. Тилофеева. Неохлаждаемые и криогенные модуляторы радиометров радиотелескопа РАТАН-600 на основе коммутаторов с магнитной памятью.//Сб.тезисов докладов 17-й Всесоюзн.конф."Ра-диоастрономич. апп-ра", Ереван, 1985, с.204-205.

AIO. Н.А.Нихелъский. Входной криоблок для радиометра РАТАН-600 диапазона 2,6 см.// Сб. тезисов докладов 17-й Всесоюзн. конф. "Радиоастрономич. апп-ра", Ереван, 1985, с.271.

A1I. VttkovaklJ 7.7., NlzhelsktJ N.A.,Truahktn S.A. A radio survey In Orlgem loop region.//Communications of SAO,1985, 48,p.61-80.

AI2. C.A. Трушаш, B.B. Вижовский, Н.А.Нихелъский. Многочастотные радаонаблвдения остатков сверхновых в области мевду 1 = 85° и 1= 135°.// Астрофизические исследования (Известия CAO), Ленинград, 1987, Т. 25, С.84-104.

AI3. В.Я. Голънев, В.И. Лебедь, H.A. Нижелъский, А.В.Яреленко. Радиометр с глубоким охлавдением входных каскадов для работы с полной отражающей поверхностью РАТАН-600.//Сб.' тезисов докладов 21-й Всес.конф."Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1989, с. I09-110.

AI4. А.Б. Берлин, В.Я. Голънев, П.Я. Ксензенко, H.A. Нижелъский, D.H. Роланенко. Радиометр для РАТАН-600 с термоэлектронным охлавдением входного транзисторного каскада.//Сб.тезисов докладов 21-й Всес.конф. "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1989, с. III.

AI5. А.Б.Берлин, В.И.Лебедъ, А.А.Наксяшева., Н.А.Нижелъский.А.Н.Ни-липенко, Г.М. Тилофеева. Три криотранзисторных радиометра сантиметрового диапазона в общем криостате для РАТАН-600.//Сб. тезисов докладов 21-й Всес. конф. "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1989, с.112.

AI6. А.Б. Берлин, О.П. Головченко, В.И. Лебедь, H.A. Нижелъский, И.О.,- Шкляревский. Криотранзисторный радиометр РАТАН-600 диапазона 2,7 см.//Сб. тезисов докладов 21-й Всес. конф. "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1989, с.116.

AI7. Berlin A.B., Kovalev Yu.A., Kovalev Yu.Yu., Iarionou G.U., Nldgelskl H.A., Soglasnov У.А. A study of long-term variability of blazars in multi-freguency monitoring.//1991,In Proc. of the conference-"Variability of blazars",Turku (Finland),(in press).

AI8. Парийский D.H., Ерухилов Б.Л., Чепурнов A.A..Нижелъский H.A., Ыингалиев i.r., Черненнов B.H. РАТАН-600: Новые данные по анизотропии 3-К фона Вселенной.//Сб. тезисов докладов 23-й Всесоюзн. радиоастрономич. конф. "Галактическая и внегалактическая радиоастрономия", Ашхабад, 1991,с.22.

/Ij. А.Б. Берлин, H.A. Нижелъский. Комплекс радиометров континуума РАТАН-600: состояние и перспективы развития. //Сообщения САО, 1991, 68, с. II6-I20. А20. Yu.N. PartJaktJ, B.I. Eru&Mmov, M.G.Utngaliev, A.B.Berlin, N.N. Bvrsou, N.A. NtzfielsklJ, M.N. Naxigolnaja, V.N. Chernenkov, O.V. Verbhodcmov, A.Y. Chepurnov, A.A.Starobtnaky. Discovery of the small scale sky anisotropy at 2.7 cm: radio sources or relic emission? //T.Shanks et al.(eds.), Observational Tests of Cosmological Inflation, 1991, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, pp. 437-441. A2I. А.Б. Берлин, В.И. Лебедь, A.A. Макашева, H.A. Нижелъский, A.n. Пилипенко, Г.М. Тилофеева, И.Ю.Шкляре6ский. Новые криогенные радиометры континуума для РАТАН-600.//Астрофизические исследования (Известия САО), в печ.

Личный вклад автора. В работах 1,2,5 автором выполнены разработка конструкций и настройка охлаждаемых согласованных нагрузок, отработка методики проведения эксперимента, участие в измерениях и обработке результатов. В работах 3,4,6,7 и 8 автор участвовал в настройке и исследовании приемной аппаратуры и техники глубокого охлаждения, а также в обеспечении их эксплуатации в длительных наблюдательных циклах. В работе 9 автор разработал методику и исследовал рабочие параметры переключателей с магнитной памятью при криогенных температурах. В работах II, 12, 17, 18 и 20 вклад автора состоял в техническом обеспечении долговременных наблюдательных. программ, участии в наблюдениях и обсуждении результатов. В работах 13 - 16 и 21 автор принимал участие в разработке, наладке, лабор'аторных испытаниях и исследовании в реальных наблюдениях высокочувствительных радиометров, а в работе 19 в обсуждении с пользователями и анализе результатов проведения наблюдательных программ, а также ближайших перспектив развития ч-)?шлексй радиометров континуума РАТАН-600.

'ЛИТЕРАТУРА

I. Парийский D.H. Обнаружение горячего газа в скоплении галактик "Волосы Вероники".//АЖ, 49,вып.6.,1972, с.1322-1323.

2. Ю.Н.Парийский, Д.В.Корольков. Эксперимент "Холод". Первый глубокий обзор неба с помощью радиотелескопа РАТАН-600.// В кн.: Итоги науки и техники, сер. "Астрономия",т.31,М.,1986,с.73-197.

3. Н.А. Есепнша, Д.В.Корольков, Ю.Н.Парийский. Радиотелескопы и радиометры. М., Наука, 1973.

4. A.C.S.Readhead, С .R.I/mrence, S.T.Uyers, W.L.W.Sargent.H.E.Har-debeck and A.T.Moffet. A limit on the anisotropy of the microwave background radiation .on arc minute scales.//Preprint 23, 1988 fAstrophysical Journal).

5. Берлин А.Б., Горбачев А.А., Данилов В.И., ЛовкоЗа И.М., Ыоде-ев Ю.И., Стюнгенберг Б.Е. Влияние импульсных помех на СВЧ радиометры и метод их ослабления.//Сб. тезисов докладов 17-й Всес. конф. "Радиоастрономич. апп-ра", Ереван, 1985, с.326-327.

6. Горбачев А.А., Данилов В.И., Модеев Ю.И. Устройство обработки шумовых сигналов на фоне помех в модуляционном радиометре.// Приборы и техника эксперимента, 1987, J8 4, с.83-86.

7. Б.Л.Ерухилов, В.В.Вишовский, В.Н.Черненнов, B.C. Шергин. Ро-бастные алгоритмы для сжатия наблюдательных данных в радиометрах сплошного спектра на РАТАН-600.//Препринт САО АН СССР, Ш6, 1988.

8. Н.З.Шварц. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. М., "Радио и связь", 1987.

9. Гассанов Л.Г., Лауре Е.П., Груш С.А. Современный уровень и перспективы развития арсенид-галлиевых приборов СВЧ на базе технологии молекулярно-лучевой эпитаксии.//Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ, вып.8, с.1-50.

10. U.W.PospleszalaM, S.YIetnreb, R.Norrod and R.Harris."FET's and HEMT's at Cryogenic Temperatures - Their Properties and Use in Low-Noise Amplifiers".//IEEE Trans. MTT., vol.MTT-36,pp.552-560, March 1988.

■II. M.W.PoapteszalsM, J.D.Gallego and W.J. Latotosh. "Broad-Band, Low-Noise, Cryogenically-Coolable Amplifiers in 1 to 40 GHz Range".//IEEE, MTT-S Digest,1990, pp.1253-1256.

12. K.H.G. Duh, B.C. Adams. High Electron Mobility Transistors: Mission Accomplished for Voyager and Neptune Encounter.//Microwave J. 1990,vol.33, J6 8, pp.122-124,126.

13. В.if. Абралов, И.Ф. Белов, Б.Б. Тагунов. Поляризационный модулятор. //Сб. тезисов докладов 21-й Всес.конф. "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1989, с.59.

14. В.И. Абралов, И.Ф. Белов, Б.Б. Тагунов. Поляризационный тракт корреляционного поляриметра сантиметрового диапазона для радиотелескопа РАТАН-600.// Астрофизические исследования (Изв.CAO), 1988, т.26, C.I2I-I24.

15. A.ScMidt, ïï.Zlnz. Receivers for the 100 m telescope.//Technical Report Nr.67-2, Max-Planck-Instltut fur Radioastronomie, Sept. 1990, pp.1-34.

16. Е.К.Майорова, Г.А.Пшчук. Синтезирование диаграммы направленности РАТАН-600 с помощью фазированной антенной решетки.//Астрофизические исследования (Изв. СА0),1991, т.34,с.102-112.

Зах.И 551 25/06-1992 г. Тираж 100 экз.

отпечатано в отделе оперативной печати Ставропольского краевого управления статистики ■ г. Ставрополь, ул. Пушкина, 4