Создание малошумящих приемников коротковолновой части миллиметрового диапазона волн и их применение для исследований атмосферного озона радиоастрономическими методами тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

а

•Г Д .ЦСЛ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ПАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н.ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи

РОЗАНОВ Сергей Борисович

СОЗДАНИЕ МАЛОШУМЯЩИХ ПРИЕМНИКОВ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискапие ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Отделении Оптики Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, г. Москва.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Соломонов C.B.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Сороченко Р.Л.

(Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН, г.Москва)

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Виноградов Е.А.

(Институт общей физики РАН, г.Москва)

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН,

г.Москва

Защита состоится "21 " декабря 1998 г. в 16 часов на заседании Диссертационного Совета Д002.39.01 в Физическом институте им.П.Н.Лебедева РАН по адресу: П7924 г. Москва В-333, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан '■ 20 « H 1998 г.

Ученый секретарь ^

Диссертационного Совета Д 002.39.01 Ковалев Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Радиоастрономические исследования в миллиметровом (ММ) диапазоне волн дают ценную информацию о физических условиях и процессах п молекулярных и газопылевых облаках, включая области звездообразования. а при использовании радяоинтсрферомстрии со свсрхдлгашыми базами, в т.ч. космической, открывают возможности изучения различных объектов в Галактике и за ее пределами с очень высоким угловым разрешением [1-3]. Быстрое развитие приемников ММ диапазона, отмечаемое ь последние десятилетия, б большой мере стимулировалось имение задачами радиоастрономии. По мере своего совершенствования приемники этого диапазона волн находят все более широкое применение и в других областях науки и техники: радиолокации, связи, исследованиях атмосферы и природных покровов Земли, медицине, экологии, исследованиях плазмы, материаловедении и др. [4-6, AI-A3].

Одной из наиболее важных задач, решаемых с помошыо радиоастрономических методов исследований и аппаратуры, является дистанционное зондирование атмосферы Земли на ММ волнах с целью определения пространственного распределения ее малых газовых составляющих (МГС), в т.ч. озона. Работы в этом направлении ведутся в нашей стране [4, 1-9] и за рубежом [5, 10-12]. Отмечаемое в последние годы ухудшение состояния защитного озонного слоя атмосферы [i3] требует надежною, онергыиыюго и постоянного контроля за происходящими в нем процессами. Значительный объем информации о глобальном состоянии озоносферы поступает и настоящее время с искусственных спутников Земли, однако особенности вертикального распределения озона (ВРО) над конкретными регионами, в т.ч. над таким густонаселенным, как московский, изучены хуже. Дистанционное зондирование атмосферного озона в ММ диапазоне волн позволяет решить эту задачу. По форме уширенных давлением вращательных спектральных линий собственного теплового излучения озона, измеренных с поверхности Земли, оказывается возможным восстапоиление ВРО в атмосфере на высотах примерно от 15 до 75 км [4, 8, 10, 11, 14, 15, A4]. Этот метод имеет существенные преимущества перед наземными оптическими (с использованием ультрафиолетовых спектрометров и лидаров) и контактными (с шаров-зондов, ракет и самолетов) методами исследований озона: возможность круглосуточных непрерывных наблюдеяий, относительно слабая зависимость от погодных условий, широкая область высот, для которой возможно получение информации о ВРО, относительно низкая стоимость аппаратуры.

В настоящее время малошумящие приемники коротковолновой части ММ диапазона волн для радиоастрономических исследований и наземного дистанционного зондирования атмосферного озона промышленностью не выпускаются. Поэтому разработка такой аппаратуры для отечественных обсерваторий является насущной и актуальной задачей.

Целями диссертационной работы были 1) создание мало шумящих приемников для радиоастрономических исследований на радиотелескопе РТ-22 IIPAO ФИАН (Пущино, Моск. обл.) и наземного дистанционного зондирования атмосферного озона в 2-мм окне прозрачности атмосферы и 2) исследования с помощью разработанной аппаратуры вертикального распределения озона над Москвой.

Научная новизна работы

1) Разработаны малошумящие охлаждаемые супергетеродинные приемники 2-мм диапазона волн со смесителями на плапарпых диодах с барьером Шоттки (ДБШ) для радиоастрономических и атмосферных исследований. Экспериментально получены

шумовые температуры смесителей, превосходящие при комнатной температуре лучшие результаты в этом диапазоне как для сотовых, так и для пленарных неохлаждаемых ДБШ, а при азотной температуре - лучшие значения для охлаждаемых планарных диодов Шоттки. Использование такого приемника в спектрометре для наземных исследований атмосферного озона на частоте 142,2 ГГц впервые позволило регулярно определять вертикальное распределение озона над Москвой на высотах 15-75 км с временным разрешением не более 1 часа;

2) В 1996-98 гг. впервые получена детальная картина высотно-временного распределения озона над Москвин. В холодные полугодия этих лет обнаружены не наблюдавшиеся ранее длительные (до 1 месяца и более) периоды устойчивого пониженного содержания озона в стратосфере на высотах 25-40 км, когда содержание озона в этом слое снижалось до 40-50 % от нормальных значений;

3) Впервые радиоастрономическими методами на ММ волнах проведены одновременные наблюдения атмосферного озона из двух удаленных обсерваторий: ПРАО ФИАН и Космической обсерватории Оисала (Швеция), - с целью исследования изменений в озонном слое, связанных с крупномасштабными динамическими процессами в атмосфере;

4) Впервые в 2-мм диапазоне волн при комнатной и азотной температурах проведены непрерывные по спектру измерения коэффициента отражения излучения вспененными поглотителями и лакокрасочными ферроэпоксидными покрытиями. Определены яркостныс температуры охлажденных жидким азотом квазиоптических поглощающих нагрузок, изготовленных на основе этих материалов.

Практическая ценность работы

1) Проведение регулярных измерений ВРО пад Москвой - городом с 10-миллионным населением, позволяет оперативно получать надежную и общественно значимую информацию о состоянии защитного озонного слоя, своевременно обнаруживать неблагоприятные изменения в нем и периоды его истощения. Выполненные исследования показывают, что изменения в озонном слое регистрируются радиоастрономическими методами на ММ волнах значительно яснее, чем по данным измерений общего содержания озона в атмосфере традиционными наземными оптическими методами;

2) Одновременные измерения ВРО радиоастрономическими методами иа ММ волнах из обсерваторий Пувдино и Онсала, разнесенных на расстояние около 1500 км, позволили получить новую интересную информацию о крупномасштабных динамических процессах в стратосфере, включая стратосферные потепления. Отсюда следует важность создания в перспективе глобальной наземной озонометрической сети, работающей в ММ диапазоне волн;

3) Разработанные малошумящие приемники 2-мм диапазона волн могут быть использованы не только для радиоастрономических исследований на радиотелескопах и наземного дистанционного зондирования атмосферного озона, но и для решения других фундаментальных и прикладных задач геофизики, экологии, связи и пр.;

4) Создан и успешно испытан новый простой, компактный и надежный охлаждаемый волноводяый смеситель коротковолновой части ММ диапазона волн на серийном отечественном ДБШ с балочными выводами. При неизменных внешних размерах возможны 4 исполнения смесителей с сечениями входного волновода 2,4x1,2, 1,6x0,8, 1,1x0,55 и 0,7x0,35 мм2, что позволяет создавать на их основе малошумящие супергетеродинные приемники различного назначения во всем диапазоне волн Л =1-4 мм;

5) Разработан ряд широкополосных квазиоптических устройств с малыми потерями для приборов коротковолновой части ММ диапазона волн [Л5-А9]:

• интерферометры Маха-Цеидера на свободных гауссовых пучках с делителями луча из плавленого кварца и корректирующими кварцевыми линзами;

• !ЛГГ£рф"рСМСТр ФйбрИ-ПсрО f ><1 ОСП О ВС с СТО К ИЗ MC ДНСИ фоЛоП! ДЛЯ 1чруГЛ1»1Х

лучеводов и сверхразмерных волноводов;

• рупорные облучатели для формирования гауссовых пучков;

6) Разработай новый простой и эффективный метод просветления двояковыпуклых лию полимерными пленочными материалами, пригодный для коротковолновой части ММ и всего субмиллиметрового (СММ) диапазона. Этот метод успешно использован для просвещения линз в нриемнике для озонных исследований. Он позволяет выполнять многослойные просветляющие покрытия, в т.ч. из различных материалов;

7) С использованием квазиоптических узлов па основе полых диэлектрических лучеводов [16] создан стенд для измерений в 2-мм диапазоне волн коэффициента отражения по мощности в пределах Ii)"4 - 1 для излучения, падающего на объект нормально или под утлом 45°. На стенде проведены исследования различных поглощающих материалов и квазиоптических нагрузок, используемых для калибровки радиометров коротковолновой части ММ диапазона волн.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах ФИАН, ИРЭ НЛКУ (Харьков), Обсерватории Университета Бордо 1 (Флорак, Франция), физического факультета Йонсейского Университета (Сеул, Корея) и Космической обсерватории Онсала Чалмерского технологического университета (Онсала, Швеция), а также па научных конференциях:

• XVII и XXI Всесоюзных конференциях "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван, 1985 и 1989 гг.;

• XIX Европейской конференции молодых радиоастрономов, Хавельт, Нидерланды, 1986 г.,

• семинарах по итогам международных программ по исследованию атмосферы DYANA и CRISTA/MAHRSI, Вупперталь, ФРГ, 1991 и 1996 гг.;

• I, II и III Международных симпозиумах по физике и технике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Харьков, 1991, 1994 и 1998 гг.;

• Международном семинаре "Электродинамика и состав мезосферы", Нижний Новгород, 1992 г.,

• 6 Российско-финском симпозиуме по радиоастрономии, Нижний Новгород, 1994 г.;

• Межотраслевом научно-техническом совещании по программе России "Физика микроволн", Нижний Новгород, 1996 г.;

• XVII5 Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 1996 г.;

• XXI Конгрессе URSI/IEEE/IRC по радиотехнике, Отаниеми, Финляндия, 1996 г.;

• Всероссийской конференции "Физические проблемы экологии", Москва, 1997 г.

Публикации

Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 34 печатных работах, в т.ч. 1 монографии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы, и Приложения. Объем работы составляет 175 страниц текста, включая 57 рисунков и 13 таблиц. Список литературы содержит 211 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении очерчен круг научных и прикладных задач, решаемых с использованием радиоастрономических методов к аппаратуры в ММ диапазоне волн, отмечены особенности этого диапазона, обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы основные цели работы, приведены краткие данные о структуре диссертации и содержании отдельных глав.

Глава 1 диссертации носит обзорный характер.

В Разделе 1.1 рассмотрены особенности формирования спектральных линий МГС атмосферы, дающие возможность определения вертикального распределения МГС по форме уширенных давлением спектральных линий [4, 10, 11, A4]. Отмечены преимущества наземных наблюдений спектров собственного теплового излучения МГС атмосферы в ММ диапазоне перед традиционными оптическими и кептахтпымп методами исследований. Приведены параметры некоторых линий озона, которые могут быть использованы дня наземных измерений в ММ диапазоне радиоволн [10].

В Разделе 1.2 на основе результатов компьютерного моделирования [15] сформулированы основные требования к аппаратуре для наземных исследований атмосферйого озона радиоастрономическими методами по спектрам его собственного теплового излучения в линии с центральной частотой 142,175 ГГц (вращательный переход 10о,ю - 10i,«): однополосная шумовая температура приемника не более 700 К, полоса анализа не Messe 250 МГц при спектральном разрешении от 0,1-0,2 МГц б центре линии до 10-20 МГц на ее крыльях, зенитный угол зондирования около 60° с возможностью его изменения в зависимости от условий наблюдений, ширина диаграммы направленности (ДН) - не более 3° по уровню -3 дБ при уровне боковых лепестков не более -30 дБ. При таких параметрах спектрометра диапазон зондируемых высот составляет 15-75 км, а точность восстановления ВРО в стратосфере оказывается не хуже 5-7 % при времени накопления сигнала не более 1 часа [15, A4].

В Разделе 1.3 рассмотрено современное состояние приемников ММ и примыкающего к нему СММ диапазонов волн [5, 6, AI-A3]. Приведены параметры лучших супергетеродипных приемников со смесителями на переходах сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), сотовых и пленарных ДБШ, джозефсоновских контактах, с сверхпроводящими и полупроводниковыми болометрическими смесителями, а также усилителей ММ диапазона (на транзисторах с высокой подвижностью электронов, мазеров и параметрических усилителей). Указаны основные тенденции развития малошумящих приемников ММ и СММ волн, наиболее перспективные типы приемников и направления их совершенствования в различных участках этих диапазонов.

В Разделе 1.4 отмечается, что в 80-х и начале 90-х годов в ФИАН проводилась модернизация радиотелескопа РТ-22 ПРАО и с участием автора выполнялась программа оснащения его приемной аппаратурой 2-мм диапазона волн. К сожалению, в силу не зависящих от автора причин работы по модернизации телескопа были приостановлены. В этой ситуации основной наблюдательной задачей для разрабатывавшихся приемников 2-

мм диапазона стали наземные спектральные исследования атмосферного озона. Поскольку для таких исследований не требуется высокого углового разрешения антенны, наблюдения могут проводиться и без использования крупных радиотелескопов.

В этом разделе на основе сформулированных выше требований к аппаратуре, ожидаемых условий наблюдений, а также анализа состояния и тенденций развития малошумящих приемников ММ волн обоснован выбор охлаждаемого приемника со смесителем на нланарноч ДНИ для наземных измерений спектральной линии озона с центральной частотой 142,175 ГГц. Сравнение параметров спектрометров, используемых в различных обсерваториях для наземных исследований атмосферного озона в ММ диапазоне [12, А5] подтверждает правильность такого выбора и показывает, что реализованные к настоящему времени характеристики аппаратуры ФИА11 (Главы 2 и 3 диссертации) близки к лучшим мировым результатам для приемников этого типа.

Для радиоастрономических исследований слабых источников, а также для измерений в коротковолновой части ММ диапазона слабых спектрачъных линий таких МГС агмосферы, как окислы хлора, азота и др. [10], требуются еще более чувствительные приемники со смесителями на переходах СИС. Совместно с ИРЭ РАН были проведены разработки и предварительные исследования интегральных микросхем с переходами СИС NtvNbOyFb-Bi и Nb/ALOj/Nb для таких смесителей [А10-А12]. 11а первом этапе работы в 80-х годах исследовались также приемники со смесителями на джозефсоновских точечных контактах Nb-Nb [А13, Al 4] и, совместно с ШОТФП (Зеленоград), торцевых джозефсоновских переходах Nb/a-Si/Nb [Al 5]. Дтя смесителя на точечном контакте была получена однополоспая шумовая температура 390 К при потерях преобразования 5,3 дБ на частоте 136 ГГц, а смеситель на торцевых переходах имел одно- и двухполосиую шумовые температуры 530 К и 230 К соответственно на частоте 142 ГГц.

В Главе 2 дано описание спектрометра ФИАН для озонных исследований и подробно рассмотрены основные узлы его приемника [А4-А6, А16, А17].

В Разделе 2.1 приведена блок-схема спектрометра, состоящего из охлаждаемого приемника, системы стабилизации частоты гетеродинов (ФАПЧ), двух анализаторов спектра (АС) и персонального компьютера с программных! обеспечением (Рис. I). Отмечены выполняемые преобразования сигнала, даны основные характеристики узлов приемника и фильтровых АС. В спектрометре имеется широкополосный канал с шириной полосы около 0,5 ГТц для измерения яркостной температуры фонового излучения атмосферы н определения тропосферного поглощения. В этом разделе рассмотрены наиболее важные особенности приемника.

В Разделе 2.2 приведены основные соотношения гауссовой оптики [17], использованные при разработке входных устройств малошумящих приемников.

В Разделе 2.3 рассмотрены требования к скалярным (коническим с гофрированной внутренней поверхностью) рупорным облучателям для формирования и приема гауссовых пучков излучения [18, 19]. Подробно описаны использованные в приемнике облучатели .этого типа [А8, А9], которые изготавливались методом гальванопластики. Дано описание стенда для измерения диаграмм направленности рупорных облучателей и приведены их экспериментатьные (до уровня -53 дБ) и расчетные ДН [18, А9]. Экспериментальные ДН в Е- и Я-плоскостях близки друг к другу и расчетным кривым до уровня -32...-34 дБ. Примерно до уровня -15 дБ ДН имеют гауссову форму. Радиусы перетяжек гауссовых пучков определялись по ширине измеренных ДН на уровне -10 дБ (на этом уровне измеренные диаграммы в среднем на 2 % шире расчетных).

На частотах 130-160 ГГц потери в рупорных облучателях X/. составляют 0,1-0,5 дБ. Отмечавшиеся в ряде случаев значения потерь до 7 дБ на отдельных частотах за пределами этого диапазона связаны, вероятно, с дефектами изготовления облучателей.

Калибровочная нагрузка

4-----»

т,/ 71

Опорная

нагрузка

Гетеро-

ФАПЧ I

Тс /То

Персональный компьютер

Самописец

Квазиопти- .----- Широко- ------

чееккй блок АЦП 1 ■*- полосный АЦП 2 1 канал а>~"

. * |; ------

> 4

¿У

V N >

у

^ ■ Дтлексер

......................

V ; Криостат

АС »0 -

ФАПЧ2.

Гетеро- ;

АС 120

; См-ль 1: ___»___

'Охлаждаемый; : усил-ль ПЧ 1 ■

1 См-лт. 2 — ►

Усилитель' ПЧ 1 ■

Усилите.!1ь ПЧ 2

Рис. 1. Блок-схема спектрометра ФИАН для озонных измерений па частоте 142 ГТц.

В Разделе 2.4 рассмотрено устройство квазиоптического блока приемника, предназначавшегося первоначально для облучения центральной части модернизируемого радиотелескопа РТ-22. Квазиоптический блок обеспечивает переключение входных каналов с частотой 75 Гц и формирует ДН каналов [А4-А6]. Приведены параметры гауссовых пучков в различных сечениях входных трактов приемника.

Во входных устройствах приемника (Рис. 1) использованы линзы из плавленого кварца марки КВ с затуханием 0,016 дБ/мм на частоте 140 ГГц [20, 21] и плоские металлические зеркала оптического качества [А5, А8, А9]. Это облегчило точную юстировку входных узлов приемника, которая выполнялась автоколлимадионным методом по лазерному лучу. Линзы просветлены четвертьволновыми слоями фторопласта-4 [А9].

Потери в квазиоптическом блоке, составляющие Ц =0,35±0,05 дБ, складываются, в основном, из потерь в его линзах. (Рис. 1). Измеренные по шумовому сигналу потери во входной 120-мм линзе составили 0,15±0,04 дБ, что хорошо совпадает с оценкой этих потерь 0,16 дБ. Для одной из просветленных лига диаметром 44 мм измеренный в полосе

частот 129,7-143,5 ГГц коэффициент отражения по мощности не превосходил 0,25 %. Этот результат наглядно демонстрирует эффективность просветления линз.

В качестве модулятора-переключателя в приемнике используется вращающееся плоское двухлопастное зеркало (Рис. 1). Для приемников со смесителями на сверхпроводящих переходах исследовался также молулятор-выюпочатель на оснпяе гранулированной сверхпроводящей пленки МЬЫ [А18].

Рассмотрены методика и результаты измерений ДН приемника, с которым с 1994 г. проводятся озонные наблюдения в Москве [А4-А6, А16, А17], а также предыдущего варианта присмннка [А19-А21], использовавшегося для озонных измерений и ПРЛО ФИ АН в 1989-92 гг. [А20-А24] (входная оптика этих приемников практически одинакова). Для обоих приемников в каждом из двух каналов квазиоптического блока (Рис. 1) были получены осесимметрячные ДН без боковых лепестков в пределах чувствительности измерений (-40 дБ в Пущине и -35 дБ в Москве). Измеренные ДН близки к гауссовым до уровня по крайней мере -30 дБ. Дня обоих приемников средняя ширина ДН на уровне -10 дБ составляет 2,76°, что близко к расчетному значению 2,94°.

Измерения отклика от холодной калибровочной нагрузки спектрометра при ее размещении на расстоянии 1,5 м от приемника и приближении вплотную к входной лвпзе позволили оцепить коэффициент заполнения ДП приемника холодной нагрузкой при озонных наблюдениях (близкий к доле мощности, поступающей в главный луч антенны [22]), который оказался равным примерно 0,98.

В этом разделе описано также опорно-поворотное устройство приемника, обеспечивающее установку зенитного утла наблюдений атмосферного озопа. Опорно-поворотное устройство дояускает установку криоблоха со смесителем на планарном ДБШ, охлаждаемого до 15-20 К с помощью микрокриогенной системы замкнутого цикла, или гелиевого кряоетата со смесителем на переходе СИС с целью дальнейшего снижения шумовой температуры спектрометра.

В Разделе 2.5 рассмотрен диплексер. собранный по схеме интерферометра Махз-Цендера и модифицированный для получения малой разности хода Д =14-70 мм [А8, А9]. Приведены соотношения для коэффициентов передачи диплексером мощности сигнала и гетеродина, а также формулы, позволяющие оценить подавление диплексером амплитудных шумов гетеродина [А1]. В качестве делителей луча в диплекссре используются пластинки из плавленого кварца. Внутри диплексера установлены корректирующие линзы, что позволило уменьшить диаметры апертур его элементов и габариты устройства в целом.

Потери в диплексере, измерявшиеся по монохроматическому сигналу с шагом по частоте около 0,5 ГТц по схеме с двойным прохождением сигнала через диплексер, составляют Ld =0,1-0,6 дБ (с точностью 0,2-0,3 дБ) на частотах 123-166 ГТц и =0,6-1,3 дБ (с точностью 0,3-0,5 дБ) за пределами этой полосы. На частотах около 140 ГТц результаты измерений в пределах ошибок совпадают с расчетной оценкой 0,3 дБ.

Основными задачами разработки смесителя 2-мм диапазона на планарных ДБШ (Раздел 2.6) были получение низкой шумовой температуры приемника, близкой к уровню лучших приемников со смесителями на сотовых ДБШ, создание простой и надежной, пригодной для длительной эксплуатации и охлаждения конструкции смесителя, допускающей быстрый демонтаж и перезарядку диодов без использования специального оборудования, и снижение требуемого уровня мощности гетеродина до 1-3 мВт и менее, что позволило бы использовать в качестве первого гетеродина относительно маломощные твердотельные генераторы на диодах Ганна.

Разработанная конструкция смесителя, в которой диод монтируется прижимным способом в секции волновода сечением 1,6x0,2 мм2, (сечение входного волновода 1,6x0,8 мм*1) компактна и технологична и допускает демонтаж смесителя без разрушения диода [А25-А28]. В смесителе использованы серийно выпускаемые в ШШПП (Томск) диоды с балочными выводами типа АА138В-3 [23]. Смеситель может быть настроен для работы с любой ГЛ в пределах 1-5 ГГц.

В Разделе 2.7 дано описание криоблока приемника на основе заливного азотного криостата с вакуумным "подвалом", в котором размещаются смеситель на планарном ДБШ с рупорным облучателем на фланце к охлаждаемый усилитель ГТ!Т на полевых транзисторах, разработанный в НПО "Сатурн" (Киев) [24]. При объеме азотной ванны 3,2 л криостат обеспечивает 2,5-3 суток работы приемника. Входное окно закрыто фторопластом полуволновой толщины 0,70 мм. Потери б окне криостата ( £,=0,01-0,03 дБ на частотах вблизи 140 ГТц) рассчитывались по известным формулам [25]. Смеситель подвешен на тонкостенной фторопластовой трубе, опирающейся на входное окно, что обеспечивает центровку рупора относительно окна независимо от наклонов криостата.

В Разделе 2.8 описаны поглощающие нагрузки из утленаполненного поролона, а также квазиоптические нагрузки с поглощающим лакокрасочным ферроэпоксидным покрытием ]А4], которые использовались в качестве чернотсльных излучателей при катибровке приемников во время лабораторных испытаний и озонных измерений.

Приведены результаты непрерывных по спектру измерений в 2-мм диапазоне воли при комнатной и азотной температурах коэффициента отражения по мощности нормально падающего излучения различными поглощающими нагрузками, материалом ЕссоэогЬ АМ-73 [26] и плоскими образцами ферроэпоксидных покрытий (последние исследовались только при комнатной температуре), а также измерений яркостных температур поглощающих нагрузок при азотном охлаждении. Измерения коэффициента отражения проводились на стенде, собранном с использованием квазиоптических узлов на основе круглых полых диэлектрических яучеводов [16]. На частотах около 140 ГГц яркостные температуры охлажденных жидким азотом лабораторных нагрузок из утленаполненного поролона составляют 83-93 К, а нагрузок с ферроэпоксидным покрытием - 83-92 К. Для нагрузок с ферроэпоксидным покрытием выявлена связь значений коэффициента отражения, измеренных по монохроматическому сигналу, с значениями ихяркостной температуры [А4].

Глава 3 содержит результаты экспериментальных исследований приемников со смесителями на планарных ДБШ в диапазоне частот 114-178 ГГц при комнатной и азотной температурах.

В Разделе 3.1 даны соотношения, связывающие шумовую температуру приемника 7> с шумовой температурой Тю и потерями преобразования смесителя, шумовой температурой усилителя ПЧ, потерями во входных узлах 1,, , I»,, и температурами, связанными с этими потерями, а также температурой нагрузки па входе смесителя на зеркальной частоте (в однополосном режиме) [22, А1, А4, А5, А28].

В Разделе 3.2 приведены основные параметры использованных в смесителях ОаАв диодов Шотгки при комнатной температуре и охлаждении до 85 К [23, А4, А5].

В Разделе 3.3 рассмотрена методика определения параметров приемников и смесителей и дано описание измерительного стенда [А5, А28]. Выбор однополосного (85В) или двухполосного (ИБВ) режима приемника осуществлялся изменением разности хода диплексера. Перестройкой диплексера мощность гетеродина (лампы ОВ-68) могла быть направлена для измерения ее величины на свободный выход диплексера. При

однополосных измерениях 3-дБ потери мощности гетеродина в диплексере компенсировались аттенюатором. Шумовая температура приемников и полные потери преобразования сигнала измерялись по стандартной методике с помощью теплой (7о=295 К) и охлажденной жидким азотом нагрузок на входе приемника. Сигналы с выходов усилителей ГТЧ 2-мм приемников регистрировались модуляционными измерительными приемниками диапазонов 3,4-4,0 и 1,3-1,7 ГГц [Л28]. Исключение входных потерь давало потери преобразования смесителя. Считалось, что при охлаждении рупорных облучателей до 85 К величина лотерь в них не меняется, но зависимис1ь Lb (/) едкшаеген ьверх но часнме f на 0,3 % вследствие теплового сжатия рупоров. Шумовые температуры усилителей ПЧ неохлажденных приемников измерялись непосредственно в ходе тестирования, а для охлажденных приемников масштабирование сигнала на ПЧ в единицах шумовых температур проводилось яри нулевом смешении на диоде и выключенном гетеродине.

В Разделе 3.4 приведены экспериментальные зависимости характеристик приемников и смсситслсй от частоты и мощности гетеродина, положения настроечного порщач, тока диода и величины ПЧ [А4-А6, Al6, А17, А28]. На Рис. 2 и 3 показаны двух-и однополосные значения шумовой температуры приемника Тг (без квазиоптического блика), и параметров смесителя Т„ и Lm в зависимо«и от частота гетеродина fui для приемников с ПЧ 3,7 и 1,5 ГГц. Полученное при комнатной температуре на частоте гетеродина 147,5 ГТц значение однополосной шумовой температуры смесителя 460+60 К при потерях преобразования 5,3±0,2 дБ на ГТЧ 3,7 ГГц превосходит лучшие известные результаты в этом диапазоне для неохлаждаемых смесителей как на иланарных, так и сотовых ДБШ [27, 28], а значения шумовой температуры охлажденного до 85 К смесителя с ПЧ 1,5 ГГц, равные 180±30 К (SSB) и 100+15 К (DSB) при частоте гетеродина 135,2 ГТц, являются лучшими результатами для охлаждаемых смесителей на плакарных диодах на частотах выше 115 ГТц. Двухполосная шумовая температура приемника в последнем случае составила Т- =190 К. Видимые на Рис, 2 и 3 пики на кривых в районе 130 ГГп связаны, вероятно, с дефектами рупороп. Измерения коэффициента отражения по мощности на выходах ПЧ смесителей, проводившиеся при комнатной температуре, показали, что его минимальные значения, равные 0,01-0,02, достигаются на частотах 4,3 и 1,41Тц, близких к расчетным значениям 3,7 и 1,5 ГГц [А25, А27, А28].

С учетом потерь в квазиоптическом блоке однополосная шумовая температура приемника с ПЧ 3,7 ГТц, используемого в спектрометре для озонных исследований, составляет 7я=1460 К на частоте 142,2 ГГц без охлаждения. При охлаждении она уменьшается до 660 К. Эти результаты удовлетворяют требованиям Раздела 1.2. Приемник с ПЧ 1,5 ГГц в холодном состоянии на тех же частотах имеет однополосную шумовую температуру TR =640 К [А4, А5].

Для неохлажденных приемников оптимальные значения мощности гетеродина равны 2-4 мВт на фланце смесителя, а для охлажденных - 1-1,5 мВт. Смесители сохраняют вполне удовлетворительные характеристики при снижении мощности гетеродина на порядок относительно этих значений, так что охлажденные приемники могут работать при мощности гетеродина 0,1-0,2 мВт. Гак, приемник с ПЧ 1,5 ГТц имел шумовую температуру Тг= 210 К (DSB), когда в качестве гетеродина использовался генератор на диоде Ганна с мощностью всего 0,17 мВт на частоте 138,7 ГГц [А4, А5].

В Главе 4 описана методика и приведены результаты исследований атмосферного озона над Москвой с помощью созданной приемной аппаратуры.

120 130 140 150 160 170 Па

120 130 140 150 160 170

Рис. 2. Двухполосные параметры приемников и смесителей с промежуточной частотой 3,7 ГГц (а) и 1,5 ГГц (б) в зависимости от частоты гетеродина.

г„ Г,

3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 О

дБ

- 295 К

а » 85 К | а

/П -

ттл Т'^ч/ V О \ тх

.а 1 - / , Г ; Г ....... : "''■о:«.»«- . 1.1.

с? о : , 1 .

120

130 140 150

160 170

Тг, Ттх, К 3200 Г~

лБ

2800 2400 2000 1600 1200 800 400 О

. :-: 295 К

..Ж..,""": 85 К : £ 1 1 1

/М'Х >

А - . ь •. /

! \ ! ■

/

7

. 1,1.1 . г г

120 130 140 150 160 170

/ю- ГГц

Рпс. 3. Однополосные параметры приемников и смесителей с промежуточной частотой 3,7 ГГц (а) и 1,5 ГГц (б) в зависимости от частоты гетеродина.

В Разделе 4.1 рассмотрены методики калибровки спектрометра, проведения озонных измерений и предварительной обработки получаемых спектров. Для минимизации искажений спектра за счет флуктуации коэффициентов передачи приемника и каналов АС озонные наблюдения ведутся в "квазинулевом" режиме, когда яркостная температура нагрузки в опорном канале приемника (Рис. 1)' близка к яркостной температуре неба [А4-А6, А29].

В Разделе 4.2 описаны два метода решения обратной задачи - восстановления ВРО в стратосфере и мезосфере по измеренным спектрам собственного теплового излучения озона на частоте 142,2 ГГц: метод Шахине-Рандеггера [29-31] и вариант метода Тихонова в форме обобщенной невязки, предложенный К.П.Гайковичем [14, 15]. Приведены алгоритмы итерационных процессов, основанных на этих методах, указаны диапазоны

высот, для которых может быть определено ВРО, достижимые точности восстановления вертикального профиля озона и разрешение по высоте. Отмечается, что метод Тихонова-Гаиковича имеет преимущество по этим показателям.

В Разделе 4.3 представлены результаты измерений вертикального распределения озона над Москвой в 1996-98 гг. [А29-А34]. Показано, что в целом содержание озона на различных высотах варьируется вокруг средних модельных значений [32], зависящих от сезона. ВРО, наиболее близкие к модели [32], наблюдаются в теплое полугодие, когда отсутствуют сильные возмущения стратосферы. Получено хорошее совпадение результатов наблюдений ВРО ка ММ волнах в ФИЛИ с данными сзспозопдов. В холодные сезоны указанных лет в раде случаев отмечалось повышенное содержание озона в стратосфере, что было связано с удалением края полярного стратосферного вихря (циклона) и появлением над Москвой обогащенного озоном воздуха низких широт. Были обнаружены также периоды устойчивого пониженного содержания озона на высотах 2540 км, когда его количество в этом слое уменьшалось до 40-50 % от модельных значений [32]. Особенно отчетливо это явление наблюдалось в январе и отдельные периоды февраля и марта 1996 г., когда стратосфера над Москвой находилась в зоне влияния глубокого полярного циклона. Истощение озонного слоя на высотах 25-40 км наблюдалось в сходных условиях и в холодные сезоны 1996-97 и 1997-98 гг., что

Позволяет ГОЕОрИТЬ О ПОВТОрЯеМОСТВ ЭТОГО НОВОГО ДНЯ умеренных 11111 ро| ивлении. Снижение общего содержания озона в стратосфере в эти периоды, по данным оптических измерений [33] не превышало 10-25 %. Значения относительного содержания озона в стратосфере на высотах до 40-45 км хорошо коррелированы с его общим содержанием в атмосфере. На Рис. 4 показаны спектры собственного теплового излучения озона с центральной частотой 142,175 ГГц и восстановленные по ним ВРО, соответствующие периодам с пониженным (21 декабря 1997 г.) и повышенным (19 марта 199В г.) содержанием озона в стратосфере, а также модельное распределение [32] для декабря на широте 55°К (пунктирная линия). Регулярные измерения атмосферного озона на ММ радиоволнах позволяют получить детальную картину высоттю-временного распределения озона на высотах 15-75 км и исследовать процессы, происходящие в озонном слое.

Рис. 4. Примеры спектров озона, пересчитанных к внетропосфериым условиям, (а) и восстановленные по ним ВРО, соответствующие повышенному и пониженному содержанию озона в стратосфере (б). Пунктир - модель [32] для декабря на широте 55°М.

-100 -Я 0 50 100

Расстройка от центра линия, МГц

012349«?*«

Отношение смеси, рргп

В Разделе 4.4 приведены результаты одновременных озонных наблюдений, проводившихся в 1988-90 гг. на ММ волнах в ПРАО ФИАН и Космической обсерватории Онсала (Швеция) [А20, А22]. Измерения б Пущино выполнялись на частоте 142,2 ГГц, в Онсала- на частоте 110,8 ГГц. Одновременные исследования озона из двух разнесенных па расстояние около 1500 км обсерваторий позволили исследовать влияние на состояние озонного слоя крупномасштабных динамических процессов ь стратосфере, включая стратосферные потепления и связанные с ними явления межширотного обмена и переноса воздушных масс. Полученные результаты указывают на важность организации наземной сети наблюдательных станций для исследований атмосферного озона и его вариаций радиоастрономическими методами на ММ волнах.

Аппаратура ФИАН успешно использовалась для озонных измерений во время международных программ по комплексному исследованию атмосферы DYANA (198990 гг.), CKISTA/MAHRSI (1994 т.) и CR1STA/MAHRSI-2 (1997 г.).

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и положения, выносимые на зашитл:

1) Показано, что в настоящее время оптимальным типом приемника для дистанционного зондирования атмосферного озона радиоастрономическими методами в коротковолновой части ММ диапазона волн, обеспечивающим определение нертикального распределения содержания езопа па высотах 15-75 км при времени накопления сигнала не более 1 часа, является охлаждаемый супергетеродинный приемник с входным смесителем на планарных диодах с барьером Шоттки;

2) Разработан новый волноводный смеситель для коротковолновой части ММ диапазона волн на отечественных диодах Шоттки с балочными выводами. В 2-мм диапазоне волн параметры смесителя не уступают лучшим известным результатам, полученным со смесителями как на сотовых, так и на планарных диодах с барьером Шоттки. Достигнутое на частоте гетеродина 147,5 ГТц при комнатной температуре значение одпополосной шумовой температуры смесителя составляет 460±60 К. При охлаждении смесителя до 85 К па частоте гетеродина 135,2 ГГц были получены значения однополосной и двухполосной шумовой температуры смесителя, равные соответственно 180±30 К и 100±15 К;

3) На основе новых смесителей и входных квазиоптических устройств на гауссовых пучках с просветленными линзами созданы охлаждаемые приемники 2-мм диапазона волн дня радиоастрономических исследований и наземного дистанционного зондирования атмосферного озона, имеющие в центре диапазона однополосную шумовую температуру 1300-1500 К без охлаждения и 600-700 К при охлаждении жидким азотом, что близко к параметрам лучших зарубежных аналогов. Уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны приемника для озонных измерений, не превышает -35...-40 дБ;

4) С помощью разработанной аппаратуры впервые проведены регулярные наблюдения спектров собственного теплового излучения атмосферного озона, соответствующих вращательному переходу 10о,ю - 101,9 (центральная частота линии 142,175 ГТц), над Московским регионом. Для трех лет (1996-98 гг.) получено высотно-врсменное распределение озона на высотах 15-75 км и исследованы его вариации;

5) Впервые в отдельные периоды холодных полугодий 1995-96, 1996-97 и 199798 гг. обнаружены явления продолжительного (до 1 месяца) и значительного уменьшения содержания озона в стратосфере на высотах 25-40 км, когда концентрация озона в этом слое опускалась до 40-50 % от нормальных значений;

6) Впервые радиоастрономическими методами на ММ волнах в 1988-90 гг. проведены одновременные наблюдения атмосферного озона из двух удаленных обсерваторий - ПРАО ФИЛИ и Космической обсерватории Онсала (Швеция). Это позволило исследовать изменения в озонном слое, вызванные крупномасштабными динамическими процессами в атмосфере, включая стратосферные потепления;

7) В 2-мм диапазоне волн при комнатной и азотной температурах впервые проведены непрерывные по спектру исследования характеристик вспененных поглощающих материалов и лакокрасочных ферроэпоксидных покрытий, а также изготовленных на их основе поглощаюших нагрузок, используемых для калибровки и определения эквивалентной шумовой температуры приемников для радиоастрономических и атмосферных исследований.

Приложение содержит список использованных в тексте сокращений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

А1. Б.А.Розанов. С.Б.Розанов. Приемники миллиметровых волн. - М.: Радио и связь, 1989.

А2. B.A.Rozanov, S.B.Rozanov. Millimeter and submillimeter wave receivers for radio astronomy and remote sensing UProc. XXI URSI/IEEE/IRC Convent on Radio Sci., Oianiemi,

r\~t -1 5 ir\ntr T1 no Tin

i truuriu*, ULi. , " 1 .¿i^'^u.

A3. B.A.Rozanov, S.B.Rozanov. Low-noise millimeter and submillimeter wave receivers UProc. 3rd Int. Symp. on Phys. and Engineering of MM and sub MM Waves, Kharkov, Sept. 1517, 199S. - V.l. - P. 104-109. Харьков: Изд. ИРЭ НАНУ, 1998.

А4. S.V.Solomonov, S.B.Rozanov, E.P.Kropotkina, A.N.Lukin. Techniques of ground-based remote sensing of the ozone laver by millimeter-wave heterodyne spectroscopy UProc. SPIE. - 1998. - V.3406. - P.135-157.

A5. S.B.Rozanov, A.N.Lukin, S.V.Solomonov. Low-noise cooled planar Schottky diode receiver for ground-based ozone measurements at 142 GHz Hint. J. Infrared and Millimeter Waves. - 1998. - V.l9, No.2. - P. 195-222.

A6. • V.A.Gusev, E.P.Kropotkina, S.V.LogvmenkG, A.N.Lukm, F.L.Nikiibrov, S.B.Rozanov, A.M.Shtanjuk, S.V.Solomonov. Heterodyne spectrometer for remote sensing of the atmospheric ozone///Voc. 3rd Int. Svmp. on Phys. and Engineering MM and subMM fibres, Kharkov, Sept. 15-17, 1998. - V.2. - P.694-696. Харьков: Изд. ИРЭ НАНУ, 1998.

А7. С.Б.Розанов. Квазиоптический перестраиваемый полоснопропускаюший фильтр диапазона 120-150 ГГц для круглых лучеводов НТез. докл. XVII Всесоюз. копф. "Радиоастрон. аппаратура", Ереван, 10-12 окт. 1985 г. - С.169-170. Ереван: Изд. АН АрмССР, 1985.

А8. С.Б.Розанов. Квазиоптический интерферометр с корректирующими линзами для радиометра диапазона 2,2 мм НТез. докл. XXI Всесоюз. конф. "Радиоастрон. аппаратура", Ереван, 19-21 окт. 1989 г. - С.33-34. Ереван: Изд. АН АрмССР. 1989.

А9. С.Б.Розанов. Квазиопгический интерферометр коротковолновой части миллиметрового диапазона волн с корректирующими объективами НВестн. МЕТУ. Сер. Приборостроение. - 1991. -№3. - С.52-62.

А10. А.Н.Выставкин, В.Н.Губанков, В.П.Кошелец, С.Б.Розанов, А.Е.Саломонович, С.В.Соломонов. Исследование отклика туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник на излучение диапазона 2 мм ¡1Письма в ЖТФ. - 1985. - Т.Н. №8. - С.449-455.

А11. С.Б.Розанов. Методика расчета волноводных смесителей на переходах сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник с интегральными согласующими структурами НТез. докл. I Укр. симп. "Физика и техника ММ и субММ волн", Харьков, 15-17 окт. 1991 г. - Т.1. - С.228-229.

А12. С.Б.Розанов. Расчетная оптимизация волноводных смесителей на переходах сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник с интегральными согласующими структурами в диапазоне волн 2 мм НТез. докл. 1 Укр. симп. "Физика и техника ММ и субММ волн ", Харьков, 15-17 окт. 1991 г. - Т.1. - С.230-231.

Л13. С.Б.Розанов. Джозефсоновский смеситель диапазона 2,2 мм на сверхпроводящем точечном контакте //Тез. докл. XVII Всесоюз. конф. "Радиоастрон. аппаратура", Ереван, 10-12 окт. 1985 г. - С.171-172. Ереван: Изд. АН АрмССР, 1985.

А14. S.B.Rozanov. A study of space sources radiation spectra by the spectrometer with superconducting tunnel junction mixers UAbstr. XIX Young Europ. Radio Astronomers Conf.. Havelt, Netherlands, Aug. 31 - Sept. 5, 1986. - P.23-24.

A!5. АЛТудков, В.Н.ЛаятсБ, С.Б.Розанов. Преобразование частоты на одиночных и последовательно соединенных торцевых джозефсоновских переходах//Письма е Ж1'Ф. -1988. - Т.14, №11. - С.991-997.

А16. ВГ.Божков, А.Н.Лукин, А.М.Пилипенко, С.Б.Розанов, С.В.Соломонов,

B.Ф.Троицкий. Охлаждаемые супергетеродинные приемники диапазона волн 2 .мм для дистанционного зондирования атмосферы //Тез. докл. XVIII Всерос. конф. по распростр. радиоволн. С.-Петербург, 17-19 сент. 1996г. - Т.1. - С.117-118. - М.: Изд. ИРЭ РАН, 1996.

А17, С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин, С.Б.Розанов. Аппаратура и методы радиофизических исследований озонового слон на миллиметровых волнах с поверхности Земли //Тез. докл. Всерос. науч. конф. "Физич. проблемы экологии ", Москва. 23-27 июня 1997 г. - Т.1. - С.64-65. М.:Изд. МГУ, 1997.

А18. О.Г.Вендик, М.М.Гайдуков, А.Карпюк, А.Б.Козырев, С.Г.Колесов,

C.Б.Розанов. Волноводный выключатель миллиметрового диапазона на основе сверхпроводниковой пленки //Письма в ЖТФ. - 1990. - Т.16, №13. - С.79-82.

А19. ВТ.Божков, Л.Г.Гассанов, Б.Н.Емельяненков, А.Н.Лукин, О.Ю.Малаховский, Г.А.Павлов, С.Б.Розанов, С.В.Соломонов. Охлаждаемый приемник диапазона 2 мм для радиоастрономических исследований и дистанционного зондирования атмосферы //Тез. докл. XXI Всесоюз. конф. "Радиоастрон. аппаратура", Ереван, 19-21 окт. 1989 г. - С.121. Ереван: Изд. АН АрмССР, 1989.

А20. S.V.Solomonov, E.P.Kropotkina, A.N.Lukin, N.I.Ponomarenko, S.B.Rozanov, J.Ellder. Some features of the vertical ozone distribution from millimeter wave measurements at Pushchino and Onsala observatories //J. Atmos. Terr. Phys. - 1994. - V.56, No.l. - P.9-15.

A21. E.P.Kropotkina, AN.Lukin, N.I.Ponomarenko, S.B.Rozanov, S.V.Solomonov. Investigations of altitude ozone distribution in the middle atmosphere using millimeter-wave methods UAbstr. Int. Workshop "Electrodynamics and Composition of Mesosphere", Nizhny Novgorod, March 16-20,1992. - P.27. Н.Новгород: Изд. ИПФ РАН, 1992.

_ А22. E.P.Kropotkina, A.N.Lukin, N.I.Ponomarenko, S.B.Rozanov, S.V.Solomonov, J.tiider. Results of millimeter-wave ozone observations at Pushchino and Onsala observatories UAbstr. Int. Workshop "Electrodynamics and Composition of Mesosphere ", Nizhny Novgorod, March 16-20, 1992. - P.28. Н.Новгород: Изд. ИПФ РАН, 1992.

А23. S.V.Solomonov, E.P.Kropotkina, AN.Lukin, S.B.Rozanov. Ground-based monitiring of stratospheric ozone at millimeter waves UProc. HI Int. Symp. "Phys. and Engineering of MM and subMM Waves, Kharkov, June 7-10, 1994. - V.I1I. - P.584-587. Харьков: Изд. ИРЭ НАНУ, 1994.

А24. С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин, Н.И.Пономаренко, С.Б.Розанов. О вариациях атмосферного озона по наблюдениям на миллиметровых волнах НИзв. РАН. Физика атмосферы и океана. - 1993. - Т.29, №4. - С.525-531.

А25. S.B.Rozanov. A beam-lead diode mixer for 2 mm waveband UProc. Ill Int. Symp. "Phys. and Engineering of MM and subMM Waves, Kharkov, June 7-10, 1994. - V.III. - P.443-446. Харьков: Изд. ИРЭ НАНУ, 1994.

А26. B.A.Rozanov, N.A.Zharkova, S.B.Rozanov. Some problems of millimeter wave diode mixer computer simulations UProc. Ill Int. Symp. "Phys. and Engineering of MM and subMM Waves, Kharkov, June 7-10, 1994. - V.III. - P.447-450. Харьков: Изд. ИРЭ НАНУ, 1994.

А27. S.B.Rozanov. A mixer for 2 mm waveband based on beam-lead Schottky diode UProc. 6th Russian-Finnish Symp. on Radio Astron., Nizhny Novgorod. Sept.13-17, 1994. -P. 132-140. Ниж. Новгород: Изд. ИПФ РАН, 1995.

А28. С.Б.Розанов. Малошумящие смесители диапазона волн 2 мм на диодах Шоттки с балочными выводами //Радиотехн. и электрон. - 1996. - Т.41, №3. - С.362-369.

А29. С.В.Логвиненко, С.В.Соломонов, С.Б.Розанов, Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин. Автоматизированные наземные измерения спектров радиоизлучения атмосферного озоиа

на частотах вращательного перехода 1О0 ю - 10i 9 (fa = 142,175 ГТц) //Краткие сообщ. по физике. - 1997. - №5-6. - С.40-46.

А30. С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, Л.Н.Лукин, С.Б.Розанов. Результаты дистанционного зондирования озонного слоя над Москвой на миллиметровых волнах 1/Тез. докл. XVIII Всерос. конф. по распросшр. радиоволн, С.-Петербург, 17-19 сент. 1996 г. - Т.1. - С. 115-116. - М.: Изд. ИРЭ РАН, 1996.

А31. С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, Л.Н.Лукин, С.Б.Розанов. Особенности вертикального распределения озона над Москвой зимой 1996 г. по наблюдениям на ММ волнах в ФИАНе //Краткие сообщ. по физике. - 1997. - №1-2. - С.75-82.

А32. С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин, С.Б.Розанов. Изменения в озонном слое над московским регионом по наблюдениям кп миллиметровых полпях //Краткие сообщ. по физике. - 1998. - №1. - С.23-27.

АЗЗ. С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, Л.Н.Лукин, С.Б.Розанов. Результаты исследования озонового слоя на миллиметровых волнах над московским регионом //Вести. МП>''. Сер.З. Физ. Астрон. -1998. - №4. - С.16-19.

А34. E.P.Kropoikina, A.N.Lukin, S.B.Rozanov, S.V.Solomonov. Remote sensing of the atmospheric ozone at millimeter waves UProc. 3rd Int. Symp. on Phys. and Engineering MM and subMM Waves, Kharkov, Sept. 15-17, 1998. - УЛ.- P.91-93. Харьков: Изд. ИРЭ НАШ', 1998.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ю.Н.Парийсюга, Н.С.Кардашев. Перспективы развития радиоастрономии ИСб. тез. докл. XXV/! Радиоастрон. конф., С.-Петербург, 10-14 нояб. 1997 г. - Т.1. - С.4-9. С.Петербург: Изд. ИПА РАН," 1997.

2. Р.Л.Сорочснко, А.П.Цивилев. Рекомбинациошше радиолинии углерода в миллиметровом диапазоне: новые возможности определения физических условий в областях фотодиссоциации //Сб. тез. докл. XXl'II Радиоастрон. конф., С.-Петербург, 1014 нояб. 1997 г. - Т.1. - С.267-268. С.-Петербург: Изд. ИПА РАН, 1997.

3. И.И.Зинченко. Спектроскопия молекулярных облаков ИСб. тез. докл. ХЛ171 Радиоастрон. конф., С.-Петербург, 10-14 кояб. 1997 г. - Т.1. - С.54-59. С.-Петербург: Изд. ИПА РАН, 1997.

4. И.И.Собельман, С.В.Соломонов, Р.Л.Сороченко. Миллиметровые волны: новые возможности мониторинга озоносферы 1/Вестн. РАН. - 1993. - Т.63, №8. - С.721-729.

5. P.J.Encrenaz, G.Beaudin, G.Pilbratt. Submillimetre wave technologies for the future Earth and space applications UProc. 24th Europ. Microwave Con}., Cannes, Sept. 5-8, 1994. -V.l. - P. 1-7. Cannes: Nexus, 1994.

6. А.В.Ипатов, Б.А.Розанов. Радиометры - от дециметров до субмиллиметров //Сб. тез. докл. XXVII Радиоастрон. конф., С.-Петербург. 10-14 нояб. 1997 г. - Т.1. - С.14-19. С.-Петербург: Изд. ИПА РАН, 1997.

7. Г.М.Стрелков. Активное зондирование озонового слоя Земли на миллиметровых волнахИИсследов. Земчи из космоса. - 1995. - №1. - С.25-29.

8. И.В.Кузпецов, И.Б.Коновалов, А.А.Красильников, Ю.Ю.Куликов, А.Б.Мазур, В.Г.Рыскин, Н.В.Серов, Л.И.Федосеев, А.А.Швецов. Микроволновое зондирование озона и других мачых составляющих атмосферы //Сб. отчетов по науч. проектам МНТП России "Физика микроволн" за 1995 г. - Т.1. - С. 151-160. Н.Новгород: Изд. ИПФ РАН, 1996.

9. К.П.Гайкович, Ш.Д.Китай, А.П.Наумов. Об определении высотных распределения озона и других малых газовых составляющих по лимбовым измерениям со спутника в СВЧ-диапазоне ИИсследов. Земчи из космоса. - 1991. - №3. - С.73-81.

10. Atmospheric remote sensing by microwave radiometry /Ed. M.AJanssen. New York: J.Wiley & Sons, 1993.

11. A.Parrish. Millimeter-wave remote sensing of ozone and trace constituents in the stratosphere UProc. IEEE. -1994. - V.82, No.12. - P.1915-1929.

12. J. de La Noe. Remote sensing of stratospheric ozone by ground-based microwave radiometers //Dig. lnt.Geosciences And Remote Sensing Symp., Pasadena, CA, USA, Aug. 8-12, 1994.

13. Scientific assessment of ozone depletion: 1994. World Meteorological Organization. Global ozone research and monitoring project.- Rep. No.37. - Geneva: WMO, 1995.

14. K.P.Gaikovich. Tikhonov's method of the ground-based radiometric retrieval of the ozone profile //Dig. Int. Ceosciences And Remote Sensing Symp., Pasadena. CA, USA, Aug. 812, 1994.-VA.-f.\m-m3.

15. K.P.Gaikovich, E.P.Kropotkina, S.V.Solomonov. New Possibilities of Ground-based

^ // AU„+ Wlfr.--A-.-~.~U1,, TTOCT T -II— A---no _ C--C 1QQC _ Ti "»ri 1

16. Е.М.Кулешов. Измерения в субмиллиметровом диапазоне радиоволн //Сб. Электроника и радиофизика ММ и субММ волн: Под. ред. А_Я.Усикова. - С.140-157. Киев: Наукова думка, 1986.

17. P.F.Goldsmith. Quasi-optical techniaues HProc. IEEE. - 1992- - V.RO, No.II. -P. 1729-1747.

18. B.MacA.Thomas. Design of corrugated conical horns IIIEEE Trans. An!. Propag. -1978. - V.26, No.2. - Г.367-372.

19. Rj.Wyldc, D.H.Martin. Gaussian beam-mode analysis and phase-centers of corrugated feed horns 11 IEEE Trans. Microwave Theory Tecnh. - 1993. - V.41, No. 10. - P. 1691-1699.

20. В.В.Паршин. Диэлектрические материалы для окон вывода энергии мощных генераторов НТез. докл. 1 Укр. сичп. "Физика и техника ММ и субММ волн", Харьков, 1517 акт. 1991 г. -Т.1. -С.297.

21. J.W.Lamb. Miscellaneous data on materials for millimetre and submillimetre optics Hint. J. Infrared and Millimeter Waves. - 1996. - V.17, No.12. - P.l997-2034.

22. Дж.Д.Краус. Радиоастрономия. Пер. с англ, М.: Сов. Радио, 1973.

23. Б.А.Наливайко, А.С.Берлин, В.Г.Божков, В.В.Вейц, Г.П.Гермогенова, Л.С.Либерман, Г.Л.Приходько, Л.Ф.Сарафанова, А.К.Шухостанов. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник под ред. Б.А.Наливайко. - Томск: МГП "РАСКО", 1992.

24. А.Б.Берлин, А.А.Максяшева, Н.А.Нижельский, А.М.Пилипенко, П.Г.Цыбулев. Комплекс радиометров сплошного спектра РАТАН-600: Заверщение этапа реконструкции ПСб. тез. докл. XXVII Радииастрин. конф., С.-Петербург, 10-14 нояб. 1997г. - Т.З. -С.115-116. С.-Петербург: Изд. ИЛА РАН, 1997.

25. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.: Мир, 1973.

26. Techn. Bulletins 1-010 and 1-015 ¡¡Microwave absorbers from Emerson tx Cuming.-Grace N.V. Nijverheidsstraat 7 - 2260 Westerlo, Belgium.

27. P.H.Sicgel and A.R.Kerr. The measured and computed perfomance of a 140-220 GHz Schottkv diode mixer //IEEE Trans. Microwave Theorv Techn. - 1984. - V.32, No.12. - P.1579-1590.

28. В.Г.Божков, В.А-Гсннеберг, А.Д.Фригер. Создание квазимонолитного компактного усилительно-преобразовательного модуля для многолучевого приемника КВЧ-диалазона ПСб. отчетов по науч. проектам МНТП России "Физика микроволн" за 1995 г. - Т.2. - С.237-242. Н.Новгород: Изд. ИПФ РАН, 1996.

29. M.T.Chahine. A general relaxation method for inverse solution of the full radiative transfer equation/Д Atm. Sci. - 1972. - V.29,No.4. -P.741 -747.

30. A.K.Randegger. On the determination of the atmosphere ozone profile for ground-based microwave measurements HPageophys. - 1980. - V.118. - P.1052-1065.

31. Е.П.Кропоткина, С.В.Соломонов. Исследование атмосферного озона спектральными методами п миллиметровом диапазоне волн. - Препринт № 148. - М.: ФИАН, 1989.

32. G.M.Keating, L.S.Chiou, N.C.Hsu. Improved ozone reference models for the COSPAR international reference atmosphere //Adv. Space Res. - 1996. - V. 18, №9/10. - P. 11-58.

33. Бюллетень о состоянии озонного слоя /Под ред. А.А.Черникова. Вып.10. Долгопрудный: Изд. ЦАО, 1996.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н.ЛЕБЕДЕВА ОТДЕЛЕНИЕ ОПТИКИ

На правах рукописи

РОЗАНОВ Сергей Борисович

СОЗДАНИЕ МАЛОШУМЯЩИХ ПРИЕМНИКОВ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

\

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Соломонов C.B.

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА НА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛНАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 9

1.1. Возможности исследования озона и других малых газовых составляющих атмосферы Земли по их спектрам в миллиметровом диапазоне волн 9

1.2. Основные требования к радиоастрономическому приемнику для наземных измерений вертикального распределения озона в атмосфере Земли 20

1.3. Современное состояние малошумящих приемников миллиметрового диапазона волн 26

1.4. Выбор спектральной линии и типа приемника для наземных исследований атмосферного озона 34

2. МАЛОШУМЯЩИЙ ОХЛАЖДАЕМЫЙ ПРИЕМНИК РАДИОСПЕКТРОМЕТРА ФИАН ДЛЯ ОЗОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЧАСТОТЕ 142 ГГЦ 41

2.1. Общее описание спектрометра 41

2.2. Основные соотношения гауссовой оптики 48

2.3. Скалярные рупорные облучатели 52

2.4. Квазиоптический блок 61

2.5. Диплексер 73

2.6. Волноводный смеситель на диоде Шоттки с балочными выводами 82

2.7. Размещение узлов приемника в криостате 88

2.8. Поглощающие нагрузки и покрытия 92

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЕМНИКОВ СО СМЕСИТЕЛЯМИ НА ПЛАНАРНЫХ ДИОДАХ ШОТТКИ В ДИАПАЗОНЕ ВОЛН 2 ММ 104

3.1. Основные соотношения 104

3.2. Параметры смесительных диодов 107

3.3. Методика исследований приемников и смесителей 110

3.4. Результаты измерений 116

4. МЕТОДИКА И НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА НА ЧАСТОТЕ 142 ГГЦ НАД МОСКОВСКИМ РЕГИОНОМ 128

4.1. Методика спектральных наблюдений атмосферного озона 128

4.2. Восстановление вертикального распределения озона по измеренным спектрам 132

4.3. Некоторые результаты озонных наблюдений над Москвой в 1996-98 гг. 137

4.4. Одновременные исследования атмосферного озона в обсерваториях Пущино и Онсала 148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153

ЛИТЕРАТУРА 155

ПРИЛОЖЕНИЕ. Список использованных сокращений 175

ВВЕДЕНИЕ

Исследования в миллиметровом (ММ) диапазоне волн в последние годы все более широко проводятся в различных областях науки и техники: в радиоастрономии, радиолокации, связи, физике атмосферы и природных покровов Земли, военной технике, медицине, экологии, навигации, физике плазмы, материаловедении и др. В большинстве приложений в ММ диапазоне с увеличением частоты возрастает роль задач радиометрии (измерения шумовых излучений). Как правило, эти задачи требуют предельно высокой чувствительности используемых для их решения приемников (радиометров) [1-6].

Наиболее высокие требования к чувствительности приемников предъявляются в радиоастрономии, многие объекты изучения которой имеют низкую температуру и, соответственно, низкую интенсивность собственного радиотеплового излучения в ММ диапазоне. Радиоастрономические исследования на ММ волнах дают ценную информацию о физических условиях и процессах в молекулярных и газопылевых облаках, включая области звездообразования, а при использовании радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, в т.ч. космической, открывают возможности изучения различных объектов в Галактике и за ее пределами с очень высоким угловым разрешением [7-9]. Быстрое развитие и совершенствование приемников ММ волн, чувствительность которых в различных участках диапазона за последние два десятилетия возросла на 1-2 порядка, в большой мере стимулировалось именно задачами радиоастрономии.

Радиоастрономические методы исследований и аппаратура могут быть с успехом использованы для решения ряда других важных задач, среди которых следует отметить дистанционное зондирование природной среды, контроль загрязнений и др. Работы в этих направлениях успешно проводятся в ведущих отечественных организациях (ИРЭ РАН, ИПФ РАН, НИРФИ, ФИАН, ИКИ РАН, ЦАО и др.) и за рубежом. Одной из наиболее актуальных задач этого круга является дистанционное зондирование атмосферы Земли на ММ волнах с целью определения пространственного распределения ее малых газовых составляющих (МТС), в т.ч. озона, молекулы которых имеют в ММ диапазоне многочисленные спектральные линии [2, 3, 13-15, 19-21]. Озон и другие МТС атмосферы, поглощающие излучение Солнца, в большой степени определяют энергетический баланс

атмосферы и влияют на динамику атмосферы и климат [10, 11]. Широко известна защитная роль озона, предохраняющего жизнь на Земле от губительного влияния биологически активного ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне УФ-Б (Я =200-320 нм) [10]. Информация о пространственном распределении молекул наиболее важных МГС необходима поэтому для понимания процессов, происходящих в атмосфере, и влияния на них человеческой деятельности.

Значительный объем данных о глобальном состоянии озонного слоя поступает в настоящее время с искусственных спутников Земли [12], однако особенности вертикального распределения озона (ВРО) над конкретными регионами, в т.ч. над таким густонаселенным, как московский, изучены хуже. Дистанционное зондирование атмосферного озона в ММ диапазоне волн позволяет решить эту задачу. По форме уширенных давлением вращательных спектральных линий собственного теплового излучения озона, измеренных с поверхности Земли, оказывается возможным восстановление ВРО в атмосфере на высотах примерно от 15 до 75 км [2, 13-18].

Этот метод имеет существенные преимущества перед наземными оптическими (с использованием ультрафиолетовых спектрометров и лидаров) и контактными (с шаров-зондов, ракет и самолетов) методами исследований озона: возможность круглосуточных непрерывных наблюдений, относительно слабая зависимость от погодных условий, широкая область высот, для которой возможно получение информации о ВРО, относительно низкая стоимость аппаратуры. Благодаря этим преимуществам радиоастрономические методы исследований атмосферного озона на ММ волнах находят все более широкое применение.

Отмечаемое в последние годы ухудшение состояния защитного озонного слоя атмосферы [22] требует надежного, оперативного и постоянного контроля за происходящими в нем процессами. На смену отмечавшимся иногда в 1950-70-е годы в полярных и приполярных областях Земли кратковременным понижениям общего содержания озона (ОСО) в атмосфере [10, 23] с начала 80-х годов пришли такие масштабные явления как "озонные дыры" над Антарктидой [24]. В 90-х годах сходные явления стали наблюдаться и в Северном полушарии [25, 26]. Для России, значительная часть территории которой лежит в субарктической и арктической зонах, проблема

надежного контроля за состоянием озонного слоя является поэтому чрезвычайно актуальной.

В 80-х и начале 90-х годов в ФИАН проводилась модернизация радиотелескопа РТ-22 ПРАО (Пущино, Московская обл.) и с участием автора выполнялась программа оснащения телескопа приемной аппаратурой 2-мм диапазона волн для радиоастрономических исследований. В рамках этой программы для радиотелескопа были созданы высокочувствительные супергетеродинные приемники со смесителями на сверхпроводящих туннельных переходах и диодах с барьером Шоттки, а также разработаны квазиоптические устройства 2-мм диапазона для облучения РТ-22 и сопряжения телескопа с приемниками. Был выполнен значительный объем методических исследований, разработаны измерительные стенды для исследования характеристик приемников и их элементов. К сожалению, в силу ряда независящих от автора причин в начале 90-х годов эти работы были приостановлены. В этой ситуации наземные спектральные исследования атмосферного озона стали основной наблюдательной задачей для разработанных приемников 2-мм диапазона. Поскольку для таких исследований не требуется высокого углового разрешения антенны, наблюдения могут проводиться и без использования крупных радиотелескопов. Наземные спектральные измерения атмосферного озона над Московским регионом на частоте 142,2 ГГц ведутся в ФИАН с 1987 г. [27].

В настоящее время малошумящие приемники коротковолновой части ММ диапазона волн для радиоастрономических исследований и наземного дистанционного зондирования атмосферного озона промышленностью не выпускаются. Поэтому разработка такой аппаратуры для отечественных обсерваторий является насущной и актуальной задачей.

Основными целями данной диссертационной работы были 1) создание малошумящих приемников для радиоастрономических исследований на радиотелескопе РТ-22 ПРАО ФИАН (Пущино, Моск. обл.) и наземного дистанционного зондирования атмосферного озона в 2-мм окне прозрачности атмосферы и 2) исследования с помощью разработанной аппаратуры вертикального распределения озона над Москвой.

Глава 1 диссертации носит обзорный характер. В ней приведены соотношения, описывающие наблюдаемые с поверхности Земли спектры излучения МТС атмосферы, в т.ч. озона, и рассмотрены возможности определения по этим спектрам вертикального распределения озона и других МТС в стратосфере и мезосфере. На основе результатов компьютерного моделирования сформулированы требования к параметрам приемника для наземных измерений спектральной линии атмосферного озона с центральной частотой 142,175 ГГц. Дан обзор современного состояния и основных тенденций развития малошумящих приемников ММ и субмиллиметровых (СММ) волн и обоснован выбор охлаждаемого супергетеродинного приемника со смесителем на планарном диоде с барьером Шоттки (ДБШ) для наземных исследований атмосферного озона в ММ диапазоне волн.

В Главе 2 дано описание радиоспектрометра ФИАН для озонных исследований и подробно рассмотрен его малошумящий охлаждаемый приемник. Особое внимание уделено входным квазиоптическим устройствам приемника на гауссовых пучках и смесителю на планарном ДБШ. Приведены основные соотношения, использовавшиеся при разработке входной оптики. Изложены методы, и результаты измерений параметров входных квазиоптических устройств приемника. Показано хорошее соответствие расчетных и экспериментальных характеристик. Рассмотрены также методика и результаты исследований поглощающих нагрузок, использованных в качестве чернотельных излучателей для калибровки приемника при озонных измерениях и лабораторных испытаниях.

Глава 3 содержит результаты экспериментальных исследований характеристик приемников со смесителями на планарных ДБШ в диапазоне частот 114-178 ГГц при комнатной и азотной температурах. Приведены основные параметры использованных диодов и соотношения, связывающие параметры смесителя, входных узлов и приемника в целом. Подробно рассмотрена методика определения однополосных и двухполосных характеристик приемников и смесителей. Обсуждаются полученные зависимости параметров приемников и смесителей от частоты и мощности гетеродина, положения настроечного поршня, тока смещения диода и величины ПЧ. Лучшие из полученных

результатов находятся на мировом уровне характеристик для супергетеродинных приемников со смесителями на ДБШ.

В Главе 4 описана методика спектральных наблюдений атмосферного озона на частоте 142 ГГц, а также рассмотрены использовавшиеся методы решения обратной задачи - восстановления ВРО по измеренным спектрам. Изложены основные результаты регулярных озонных измерений над Москвой в 1996-98 гг., позволившие впервые детально исследовать вертикальное распределение озона над Москвой на высотах 15-75 км и обнаружить периоды устойчивого пониженного содержания озона в стратосфере на высотах 25-40 км в холодное время года. Приведены и обсуждаются результаты одновременных спектральных наблюдений атмосферного озона в ПРАО ФИАН и в Космической обсерватории Онсала в 1988-90 гг.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

Приложение содержит список сокращений, использованных в тексте диссертации.

1.1. Возможности исследования озона и других малых газовых составляющих атмосферы Земли по их спектрам в миллиметровом диапазоне волн

Атмосфера Земли разделяется по высоте на несколько областей: тропосферу (высоты Я от 0 до 10-15 км), стратосферу (от 10-15 до 50 км), мезосферу (50-90 км) и термосферу (выше 90 км). Стратосфера и мезосфера составляют среднюю атмосферу. В тропосфере (кроме, возможно, приземного пограничного слоя) и мезосфере температура Т падает с высотой, в стратосфере и термосфере - растет (Рис. 1, а) [14]. Давление р быстро (экспоненциально с масштабом 7-8 км) убывает с высотой (Рис. 1, б).

Я, км Я, км Я, км

Г, К р, мбар С0з, ррт

Рис. 1. Типичные зависимости температуры (а), давления (б) и относительного содержания озона (в) в атмосфере от высоты для января (сплошные линии) и июля (пунктирные линии) для широты 55° N (модель Китинга [28]).

Вертикальное распределение концентрации молекул озона п0 (я) имеет максимум в нижней стратосфере, который в средних широтах находится на высоте около 20 км [10, 14]. Максимум относительного содержания (отношения смеси) молекул озона С0з (я)= п0г (Я)/ Л^(Я), где Ыъ - суммарная (полная) концентрация молекул воздуха, в средних широтах располагается обычно на высоте 30-35 км [28] (Рис. 1, в). Величина С0з (я) часто измеряется в единицах ррт - миллионных долях от Л^. В области

мезопаузы, на высотах около 90 км, в распределении С0з ( Я) ночью может существовать второй максимум.

На высотах 40-80 км время жизни молекул озона определяется фотохимическими реакциями и не превышает 2 часов [14]. Распределение озона по высоте в этой области зависит, в основном, от состава атмосферы и излучения Солнца, и здесь наблюдаются значительные суточные вариации количества озона. Ниже 40 км фотохимическое время жизни озона достаточно велико, и на его пространственное распределение существенно влияет динамика атмосферы. Известно [10, 11], что динамические процессы в атмосфере имеют характерные постоянные времени от нескольких минут и больше. Следовательно, чтобы не ограничивать круг решаемых задач, чувствительность приемника должна обеспечивать достаточно высокую точность измерений при времени накопления сигнала 5-10 мин.

Для дистанционного зондирования МГС атмосферы в ММ и СММ диапазонах волн радиоастрономическими методами обычно используются спектральные линии этих компонент, попадающие в окна прозрачности атмосферы между сильными линиями поглощения кислорода Ог (60 и 119 ГГц) и водяного пара НгО (22, 183 и 325 ГГц) [14, 29]. На Рис. 2 показаны частотные зависимости величин Г - ослабления излучения ММ диапазона атмосферой и Ть - яркостной температры атмосферы на уровне моря для направления в зенит для сухой и влажной атмосферы. На этом рисунке отмечено, каким молекулам принадлежат наиболее сильные линиии. Некоторые оценки возможностей измерения спектров различных МГС в ММ и СММ диапазонах с учетом интенсивности их линий и содержания в атмосфере можно найти в работах [14, 30-33].

Спектральные линии МГС атмосферы, представленные на Рис. 2, соответствуют вращательным переходам молекул, находящихся обычно в основном электронном и колебательном состояниях. В наблюдаемые линии, как правило, основной вклад дают молекулы МГС в слоях атмосферы ниже 100 км, где выполняются условия локального термодинамического равновесия, характеризуемого температурой Г. В ММ диапазоне рассеянием излучения на атмосферных аэрозолях практически можно пренебречь [14], так что коэффициент поглощения воздуха а/ не зависит от направления распространения излучения. В этом случае интенсивность излучения, принимаемого с направления л1, в

Г, дБ Г, Непер

/, ГГц

Ть, К

О 50 100 150 200 250 300

/, ГГц

Рис. 2. Ослабление излучения атмосферой Г (а) и ее яркостная температура Ть (б) в зависимости от частоты для направления в зенит для сухой и влажной (влагосодержание 2 гмоль/см2) атмосферы (воспроизведено из [14]).

точке наблюдения л- = 0 равна [14]

/ДО) = /, (*0а, (*)«/*, (1.1)

о

где //(¿'о) - интенсивность внешнего излучения (фона) в точке Л'о, на дальней границе области интегрирования, г (я) - оптическая толщина слоя от наблюдателя до точки 5 :

т(г) = )аг (я') ¿я', (1.2)

о

а 5/(7) - планковская интенсивность излучения абсолютно черного тела:

вЛт) - 2"с{ ехр{„/,(кт).ц- О-3»

Здесь к - постоянная Больцмана, с - скорость света.

Температура в атмосфере не опускается ниже 130 К (см. Рис. 1, а и [28]), поэтому в ММ диапазоне волн выполняется условие Рэлея-Джинса «кТ, и для интенсивности В/(Т) обычно используется формула [14, 34, 35]:

/ ч 2 /2 кТ 2кТ

МГ)«-^— = —. (1-4)

В приближении Рэлея-Джинса яркостная температура источника излучения равна

0-5)

и для абсолютно черного тела близка к его