Высокочувствительные криоэлектронные S/X радиометры для астрометрических и геодинамических РСДБ-исследований тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ

РГБ ОД

1 3 ь^&И ^ЗоЬ На правах рукописи

Мардышкин Вячеслав Владимирович

Высокочувствительные криоэлектрониые Б/Х радиометры для астрометрических и г^одешамических РСДБ-исследований

Специальность 01.03.01 - Астрометрия, небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Институте прикладной астрономии Российской академии »аук (г. Санкт-Петербург).

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук А. В. Ипатов. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Н. Л. Кайдановский, кандидат физико-математических наук М. Г. Ларионов.

Ведущая организация - Астрокосмический центр Физического.института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук.

Защита состоится '' ¿¿^-¿у-Х 1996 года в часов на заседании Диссертационного совета Д-200.06.01 при Институте прикладной астрономии РАН (197042, Санкт-Петербург, Ждановская ул., 8)

Отзывы на диссертацию направлять в адрес Диссертационного соЕета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной астрономии РАН.

Автореферат разослан ону/О^Я 1996 г. ,

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д-200.06.01 д. ф.-м. н.

А. Т. Бапкоаа

Общая характеристика работы

Настоящая работа посвящена обобщению результатов исследований по разработке и применению высокочувствительных криоэлектрон-ных S/X радиометров для астрометрических и геодинамических наблюдений методами радиоинтерферометрин со сверхдлшшыми базами (РСДБ). Исследования проводились автором в период с 1982 г. по 1995 г. В результате этих работ были созданы малошумящие приемные устройства диапазонов 13 см и 3,5 см, проведены наблюдения на действующих антеннах и получены новые геодинамичсские данные.

Актуальность темы

Современное развитие радиоастрономии в значительной степени направлено на совершег^твование аппаратуры и методики радионнтер-ферометрических наблюдений, которые позволяют решать многие научные и народнохозяйственные задачи. Астрометрия, геодинамика, геофизика, небесная механика, радиофизика, астрофизика, общая теория относительности, метрология, астронавигация космических аппаратов, военно-прикладные задачи - еот далеко не полный перечень отраслей науки и техники, в которых используются результаты радиоинтерферо-метрических наблюдений.

Из множества достижений в астрометрии и геодинамике наиболее впечатляющие результаты получены в последнее время методом РСДБ. Это объясняется использованием современных научных технологий. Наиболее важными, на наш взгляд, являются высокоточные измерения положений радиоисточников в космическом пространстве и положений опорных точек земной поверхности. Небесная опорная система коорчи-нат фиксируется несколькими сотнями компактных радиоисточников, расположенных, как правило, в ядрах галактик. Средняя точность такой системы ~1 миллисекунды дуги. Поскольку подобная опшчсская

опорная система для нашей галактики определяется измерениями кос-мическо. :> аппарата "ЬПррагсоз", очень важным является взаимная привязка оптической и радио систем координат. Для этого РСДБ-сетямн регистрируются оптически яркие звезды, имеющие радиоизлученнел занесенные в каталог "ЬПррагсоз".

Радиоизлучение звезд обычно мало, поэтому приходится накапливать сигнал несколько часов, а для обеспечения когерентности при этом использовать метод опорного объекта, т.е. каждые 2-3 минуты переводить радиотелескоп с исследуемого объекта на опорный, расположенный на расстоянии дд 1° от исследуемого. Метод дифференциальных РСДБ наблюдении звезд на фоне квазаров в течение длителыюгс времени позволяет получить наиболее точные астрометрические пара' метры объекта. Относительные ошибки (по отношению к опорном} квазару) обычно составляют: по координатам - 0,08 миллисекунды дуги; по параметрам вращения - 0,04 миллисекунды дуги в год; по тригонометрическому параллаксу - 0,08 миллисекунды дуги. Такие уровш точностей измерений зараллакса не трлько позволяют определять рас стоянг'т до радиозвезд в пределах до 10000 световых лет, но и выдвига ют такие же требования к точности систем координат на небе и на Зем ле.

Предельные угловые разрешения на поверхности Земли могу быть получены только с использованием РСДБ сетей с межконгинен тальными базами. Для этого радиотелескопы разных стран мира обье диняются в радиоинтерферометрические сети в целях проведения раз личных наблюдательных программ. В настоящее время координат! большинства радиотелескопов на ззмнои поверхности определяются (лбсапгнметровоп точностью.

Наиболее значимым показателем, характеризующим качество ра диоингерферометра, является реализуемое им отношение антенной тем

пературы источника к собственной шумовой температуре системы "радиотелескоп-радиометр". Улучшение отношения сигнал/шум позволяет повысить точность определения координат источников; проводить наблюдения далеких, как правило более слабых, объектов; обеспечить равномерное покрытие небесной сферы доступными для наблюдений источниками и, тем самым, повысить точность координатной и временной информации.

Решение "той задачи во многом определяется используемой аппаратурой и, в частности, приемниками космического излучения. Много-частотность и применение новых разработок входных малошумящих усилителей, в сочетании с совершенствованием техники глубокого охлаждения, позволяет значительно расширить список наблюдаемых источников, сократить время наблюдений и повысить информативность ра-диоинтерферометрических комплексов.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является:

- исследование вопросов реализации чувствительности РСДБ-при-емников и выбор схемы их построения;

- проведение разработки и расчетов характеристик отдельных узлов и систем приемников (малошумящие усилители, криогенные машины, системы управления, калибровки и т. п.), создание методик измерения основных характеристик приемников и их исследование;

- исследование параметров радиотелескопов, оснащенных приемной и регистрирующей аппаратурой нового поколения;

- проведение РСДБ - наблюдений и анализ, на основе полученных данных (в том числе и геодинамических), влияния различных факторов на характеристики аппаратуры и чувствительность радиотелескопа.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в разработке ьовой схемы построения и применении новой элементной базы сверхмалошумящих криораднометров для радиоинтерферометрии, что позволяет расширить перечень решаемых РСДБ методами задач за счет освоения новых диапазонов и увеличения чувствительности. Таким образом -

1. Впервые в отечественной практике применены и испытаны НЕМТ транзисторы в первых каскадах усиления S/X приемников, охлаждаемые микрокриогенной системой замкнутого цикла охлаждения нового поколения. Разработаны новые методики измерений и проведены лабораторные исследования приемников, которые показали, что характеристики приемников находятся на уровне лучших зарубежных образцов.

2. Впервые в границах бывшего Советского Союза на основе международной кооперации образована геодинамическая РСДБ станцш нового поколения (регистрация в стандарте Mark III), совместимая < большинством зарубежных станций.

Ь. Проведены расчетные и экспериментальные исследования элек тродинамических характеристик радиотелескопа РТ-22 с совмещенныл облучателем 13/3,5 см, установленным в первичном фокусе. Применен; оценка эффективности систем "радиотелескоп - радиометр" по эквива лентному потоку (SEFD).

4. По роультатам наблюдений уточнены значения модулей векто ров баз "Сименз-Гилкрик", ''Симеиз-Матера", "Симеич-Весгфорд" "Симеиз-Ветцел:." и проекции вектора положения станции "Симеиз".

Практическая ценность

1. Значительно (почти в 200 раз) повышена точность определения [роекций вектора положения станции "Симеиз".

2. Разработаны малошумящие криоэлектрснные приемные уст-юйства диапазонов 13 и 3,5 см с возможностью модуляции коэффици-нта усиления, предназначенные для наблюдений в ичтерферометриче-ком и радиометрическом режимах.

3. Использование НЕМТ транзисторов в первых каскадах усиле-[ия приемников 13 и 3,5 см, охлаждаемых микрокриогенной системой ¡ового поколения "Дрозд", позволило достичь требуемых характери-тик комплекса криоэлектропных приемников системы ''Квазар".

4. Применена система оценки эффективности радиотелескопов по квивалентному потоку (SEFD). Разработаны рекомендации по приме-ению характеристики SEFD для оценки качества системы "радиотеле-коп-радиометр".

5. Включение двухчастотных S/X криорадиометров в штатный со-тав аппаратуры РСДБ станции "Симеиз" позволяет осуществлять но-ые программы наблюдений в составе сетей EVN, APT, NASA.

6. Создан комплекс методик измерения характеристик приемной ппаратуры РСДБ системы "Квазар".

7. Главный практический результат настоящей работы - создание ромышленных малошумящих приемников диапазонов 13 см и 3,5 см, редназначенных прежде всего для научных исследований в области ра-иоастрометрии.

Результаты выполненных исследований и разработок были ис-ользованы в: КрАО ГКНТ Украины, НПО "Сатурн", в/ч 26315 при пы-олнении НИР "Риасгра", 1803 ПЗ и ДСО РАН.

На защиту выносятся

1. Методы построения и исследования S/X приемников для РСДБ, позволяющие реализовать высокую чувствительность радиотелескопов в интерферометрическом и радиометрическом режимах наблюдений; применение и исследование НЕМТ транзисторов в первых каскадах МШУ, охлаждаемых микрокриогенной системой нового поколения.

2. Криоэлектронные приемные устройства диапазонов 13 см и 3,5 см предназначенные для радиоастрометрических исследований методами РСДБ с параметрами, находящимися на уровне лучших зарубежных образцов,.

3. Результат!.! исследования характеристик системы "радиотелескоп-радиометр" па международной геодинамической станции нового поколения "Симеиз", оснащенной высокочувствительными S/X приемниками.

4. Результаты наблюдений на волнах 13 см и 3,5 см на станции "Симеиз" по программам EVN, APT и NASA, позволившие получить новые г еодезические данные и доказать, что реализованы расчетные параметры системы "радиотелескоп-радиометр".

Апробация результатов работы

По материалам диссертации сделаны доклады на: XIV, XXI Всесоюзных конференциях ''Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы", 1982, 1989, г. Ереван; Всесоюзной конференции "Микрокриогенная техпика-84", 1984, г. Омск: URSI/1AU Symposium on VLBI Tecliaology, 1W3. Kyoto, Japan; Российской астромегрической конференции, 1993, г. С.-Петербург; 2nd EVN/JIVE Symposium, 1994, Torun, Poland: 6-th General Assembly of WEGENER, 1994, St. "etersburg;

Geodetic VLBI Workshop and Tutorial, 1994, Haystack Observatory, USA; 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology, Kiev, Ukraine. September 11-16 1995; XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995, семинарах Специальной астрофизической обсерватории РАН и Института прикладной астрономии РАН.

Публикации и вклад автора

Основные результаты диссертации изложены в 20 работах, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях, 2 эскизных проектах и 3 отчетах о НИР [1 - 25].

В указанных работах по созданию, исследованию и применению в наблюдениях высокочувствительных криоэлектронных S/X радиометров автору принадлежат:

- во всех работах - непосредственное участие в разработке, исследовании и внедрении приемных устройств S и X диапазонов;

- в работах [10, 14, 15, 16, 25] - непосредственное участие в наблюдениях;

- в работах [2, 19] - непосредственное участие в разработках и опытной эксплуатации микрокриогенных систем;

- в работах [4, 5,1, 11, 20, 22] - формулировка научно-технических предложений по применению микрокриогенных систем, малошумящих усилителей, систем контроля и управления, схемы построения приемников.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит J?? страниц основного текста, 43 рисунка и 19 таблиц. Список литературы насчитывает 91 наименование.

В первой главе диссертации обосновываются и формулируются общие требования к приемным устройствам для астрометрических и геодинамических наблюдений, обсуждаются основные способы достижения высокой чувствительности по шумовой температуре.

Вторая глава посвящена рассмотрению конструктивных решений, использованных при разработке и изготовлении макетных, эксперимен-1альных и опытных образцов SIX криорадиомеггров.

В третьей главе обсуждаются результаты лабораторных исследований приемников, рассматривается влияние различных характерно™ радиометров на чувствительность.

Четвертая глава диссертации посвящена обсуждению результате! РСДБ-наблюдений в составе глобальных сетей на базе международное геодш.амической станции "Симеиз". Рассматривается вклад SIX приемников в параметры системы "радиотелескоп-радиометр". Проводите? сравнение с зарубежными РСДБ-станциями.

В Заключении изложены основные результаты работы.

В Приложении приведены методики измерения основных характе ристик S/X приемников для системы "Квазар".

Содержание работы

Глава I. Основные требования к радиоинтерферометрическим приемным устройствам и способы их реализации

Качество научных результатов, получаемых интерферометрнче-:кими методами, определяется, с одной стороны, аппаратными средст-¡ами, составляющими интерферометр: антенна, стандарт частоты и времени, аналоговые приемные устройства, система гетеродинирования, устройства цифровой регистрации и обработки сигналов, с другой сто-юны, программными и методическими средствами организации и обработки интерферометрических наблюдений.

Данная работа посвящена разработке одной из систем интерферометра, осуществляющей прием и формирование сигналов промежуточ-10Й частоты - приемной системе (приемнику), которая расположена фактически на входе интерферометра и во многом определяет чувстви-гельность всего интерферометрического комплекса.

Точность астрометрических наблюдений определяется прежде все-"о отношением "сигнал/шум" на входе радиотелескопа. Поэтому оче->идно основное требование, предъявляемое к приемнику - низкое зна-!ение собственных шумов, которое достигается применением охлаждаемых малошумящих усилителей.

В первом параграфе обсуждаются основные характеристики при-:мников - эквивалентная шумовая температура входа, полоса рабочих тстот, вклады отдельных составляющих и их влияние на точность определения частоты интерференции и групповой задержки. Показан зна-штельный вклад входных трактов в шумовую температуру системы 'радиотелескоп - радиометр".

Далее обсуждаются факторы, влияющие на уверенный прием сигналов К' смических источников излучения - межзвездная среда, земная атмосфера, посторонние шумы, попадающие на вход системы и флуктуации характеристик аппаратуры.

Третий параграф посвящен обсуждению принципов, которыми мы руководствовались при разработке криорадиометров:

- достижение предельной чувствительности радиометра;

Основные объекты интерферометрии - квазары обладают достаточно слабыми потоками (менее 1 Лу), поэтому приемная система должна обладать высокой чувствительностью, что требует использования охлаждаемых до криогенных температур малошумящих усилителей._

- выбор оптимальной схемы построения приемников;

Схема приемника призвана обеспечивать возможность работы радиотелескопа в интерферометрическом режиме РСДБ-сети и в радиометрическом (режим одиночной антенны). В схеме должна быть заложена возможность конт, эля и измерения коэффициента усиления и фазовых ха рактеристик приемника, как эпизодически, так и в процессе наблюдений для непрерывного измерения шумовой температуры и стабильности фазовых характеристик системы.

- необходимость двухчастотного приема;

Для исключения геометрической задержки, вносимой ионосферой, целесообразно проводить наблюдения на двух достаточно сильно разнесенных частотах. Отсюда возникает необходимость построения дополнительного приемника, работающего в диапазоне частот в 4 раза меньше основного диапазона, т.к. большинство плазменных эффектов ведет себя в зависимости от частоты как/_2. Измерения задержки в двух диа-

пазонах длин волн позволяет исключить влияние ионосферы на результаты наблюдений.

- выбор частотных диапазонов;

Разрешающая способность интерферометра пропорциональна А/£>, поэтому центральную частоту целесообразно выбирать как можно выше, но т.к. на частотах выше 10 ГГц начинает заметно сказываться поглощение в атмосфере (водяной пар), оптимальное значение центральной частоты около 9 ГГц.

- определение ширины полосы рабочих частот;

Ширину полосы целесообразно выбирать на основе компромисса между точностью изменения частоты интерференции и задержки и уменьшением вероятности влияния радиопомех в месте наблюдений.

- автоматизация и унификация;

Поскольку приемники предназначены прежде всего для решения интерферометрических задач и для оснащения достаточно большого числа наблюдательных пунктов, они должны иметь максимально близкие друг к другу технические характеристики, высокую степень унификации отдельных комплектов приемных устройств с точки зрения изготовления, ремонта и монтажа. Приемники должны быть совместимыми по своим основных характеристикам с аналогичными зарубежными системами. Работа современных РСДБ систем невозможна без автоматической системы контроля и управления.

В последнем параграфе эюй главы рассмотрены основные способы достижения предельной чувствительности приемной аппаратуры. Прежде всего - снижение эквивалентной шумовой температуры входа системы за счет глубокого охлаждения до температуры 15 20 К микро-крногенными системами замкнутого цикла охлаждения.

Обосновывается выбор схемы с модуляцией коэффициента усиления и введением во входной тракт модулированного шумового сигнала (схема с пилот-сигналом). Здесь же определяются и основные технические характеристики криорадиомегров - диапазоны частот 1-3 см и 3,5 см, полосы рабочих частот 350 и 500 МГц, коэффициент усиления 60-70 дБ.

Выбор типа малошумящего усиди юля проводился исходя из условия компромисса между тремя требованиями. Прежде всего низкое значение эквивалентной шумовой температуры входа приемника, во-вторых - применение не очень сложных систем охлаждения и, наконец, высокая надежность криоэлектронного усилителя, простота его обслуживания, способность многократно выдерживать циклы охлаждения.

Несомненными лидерами по минимальным шумовым температурам являются квантовые парамагнитные (КПУ) и параметрические усилители (ПУ). ПУ и КПУ - это регенеративные усилители, имеющие сложную систему накачки и настройки. Кроме того, КПУ нуждаются в охлаждении до 4,5 К и обычно требуют выполнения сложных работ при захолаживании, что делает их очень трудоемкими в эксплуатации.

Поэтому в качестве малошумящих усилителей мы применили криоэлектронпые (КТРУ) транзисторные усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ) с перспективой замены их на транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), с параметрами вполне сравнимыми с параметрическими усилителями.

Глава II. Практическая реализация методов построения двуч-частотных криорадиомегров для радиоинтерферометрии

В этой главе рассматриваются и обосновываются конструктивные решения, использованные при создании Б/Х криорадиомегров.

Б/Х криорадиометр представляет собой устройство, состоящее из двух приемников и предназначенное для малошумящего приема, усиления, преобразования к промежуточной частоте (100-600 МГц) сигналов космических источников радиоизлучения в двух частотных диапазонах (13 и 3,5 см). Основной режим радиометра - функционирование в составе глобальной радиоинтерферомегрической сети. Контроль параметров радиометра и организация наблюдений в режиме одиночного радиотелескопа осуществляегся в радиометрическом режиме. Оба приемника могут работать независимо.

Было разработано несколько вариантов двухчастотных приемников, использующих микрокриогенные системы замкнутого цикла (МКС) и сверхмалошумящие усилители на арсенид галлиевых полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ) или на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Все они выполнены по одной схеме - супергетеродинный приемник с возможностью модуляции коэффициента усиления после первого каскада (схема с пилот-сигналом) и введением во входной тракт сигналов пикосекундного (фазовая калибровка) и шумовых генераторов (амплитудная калибровка и пилот-сигнал). Блок-схема одного канала системы диапазона 3,5 см приведена на рисунке.

С целью обеспечения требуемой шумовой температуры входные каскады усиления приемников, размещенные в криоблоке, охлаждаются до температуры жидкого водорода (15-20 К). При работе приемников в радиометрическом режиме в качестве генератора пилот-сигнала используется полупроводниковый генератор шума компенсации. Уровень мощности этого сигнала изменяется аттенюатором на рм-п-диодах. Термостаты блоков генераторов шума и приемного блока обеспечивают стабильность параметров размещенных в них устройств.

Тип входного тракта: 13 см -коакснап 3 5 - еолкозод

Облучатель

Блок генераторов шума

ГШ калибровки

Ш компенсации

Ач.

Атт.

1

а

Криоблок

>

Датчик вакуума

Блок приемный термостатируемый

Уодулят ~ Фильтр

Фильтр

Вакуум-мегр

I

IIЧ И У1

Кабель питанпт и управления Сигнал

Фазовой Калиоровки

Газораспределительная панель

10 метров

I

150 мотоов

Кабели питания и управления

_I_1_

Коробка Распределительная

Кабели питания и управления

Блок Питания

Блок Связи

Гибкие трубопроводы Кабели питания и управления '

Компрессор ~

Панель Управления

Блок Диагностики

: Микрокриогенная система

Фильтр ПЧ

<й а

Гетеродин Выход ПЧ

к второму каналу

< ЕИк насосу

Схема одного канала диапазона 3,5 см Ъ/Х приемника с микрокриогенной системой.

В интерферометрическом режиме работы сигнал от антенны смешивается в направленных ответвителях с сигналами фазовой и шумовой калибровки, поступает на вход криоблока, усиливается на 25-30 дБ ма-лошумящимп. усилителями, охлаждаемыми МКС, и поступает в блок-приемный термостатируемый, где в усилителыю-преобразовагелыюм устройстве (УПУ), производится дополнительное усиление, фильтрация и преобразование к промежуточной частоте.

Для настройки радиометра и наблюдений в режиме одиночного радиотелескопа используется радиометрический режим. Схема с пилот-сигналом позволяет реализовать квазинулевой метод приема, т.е. исключить влияние флуктуации коэффициента усиления приемника на выходной сигнал.

Далее в этом разделе подробно рассматриваются конструктивные решения основных частей приемников, используемые в них элементы и узлы; особое внимание уделено аппаратуре контроля и управления криорадиометром. С целью уменьшения шумовой температуры входных трактов в приемниках производится криоетатирование не только МШУ, но и направленных ответвителей и разделителя поляризации (90-градусный мост) диапазона 13 см.

В качестве МКС нами использована машина водородного уровня охлаждения, работающие по циклу Джиффорда-Макмагона. Для повышения эксплуатационных характернее и удобства работы нами были проведены исследования, показавшие возможность доработки этой МКС для работы с двумя охладителями и со значительно увеличенной длиной трубопроводов между компрессорной установкой и микроохладителем ("Дрозд").

С целью обеспечения требуемых температур криостатирования в заданном диапазоне в этой МКС предусмотрена регулировка газовых

потоков с помощью газораспределительного устройства, что позволяет оператору перераспределять газовые потоки между высоким давлением на входе микроохладителя и низким на выходе и тем самым менять в небольших пределах температуру криостатирования. Управление микрокриогенной системой и контроль ее основных параметров может осуществляться как автономно, с панели управления, так и дистанционно, с блока диагностики приемника или ЭВМ верхнего уровня.

Глава III. Лабораторные исследования характеристик SIX криорадиометров

Основная характеристика криорадиометра - величина его шумовой температуры. В работе приведены расчеты вкладов в шумовую температуру системы различных элементов приемника и результаты ее измерения, которые проводились четырьмя независимыми методами. Совпадение расчетной.и измеренной разными способами шумовой температуры свидетельствует о готовности приемника для работы в радиометрическом режиме.

Теоретически чувствительность идеального радиоастрономического приемника определяется его шумовой температурой, но на практике она ограничена нестабильностью амплитудной и фазовой характеристик тракта.. В интерферометрии важное значение имеет построение максимально прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ тракта. Специальных мер по формированию прямоугольной АЧХ приемников не потребовалось, поскольку максимальная крутизна составляет 2 дБ в полосе 100 МГц, т. е. всего 0,04 дБ на 2 МГц полосы частот регистрации.

Используя два комплекта криорадиометров проведены измерения разности набега фаз в них. По полученным данным оценено ухудшение отношения "сигнал/шум" из-за отклонения ФЧХ от линейности. Оно не

превышает 5% в полосе 100 МГц в обоих частотных диапазонах и практически не влияет на результат интерферометрической обработки в узких каналах.

Поскольку приемники используются как в интерферометрическом, так и в радиометрическом режимах, детально обсуждаются вопросы нестабильности коэффициента усиления и входной шумовой температуры приемников.

На основе специально разработанных методик (вынесенных в Приложение) оценены флуктуации выходного сигнала радиометра в зависимости от стабильности температуры криостагирования на второй ступени микроохладителя МКС и некоторых других параметров. Измерения проведены для различных схем радиометров, вплоть до компенсационной. Результаты представлены в таблице 1.

Глава IV. Исследование характеристик системы радиотелескоп-радиометр по результатам наблюдений

В этой главе обсуждаются вопросы, связанные с введением радиотелескопа РТ-22 в Симеизе в состав международных РСДБ-сетей, проведением наблюдательных программ, исследованием характеристик системы "радиотелескоп-радиометр" и получением параметров международной станции "Симеиз".

В рамках сотрудничества между США (GSFC), Россией (ИПА РАН, ИКИ РАН) и Украиной (КрАО ГКНТУ, ГАО НАНУ) на базе радиотелескопа Крымской астрофизической обсерватории была организована РСДБ станция нового поколения, оснащенная высокочувствительными приемными системами, водородным стандартом частоты и широкополосной системой регистрации (Mark III).

Таблица 1. Оценка источников флуктуации выходного сигнала радиометра

Наименование источника флуктуации Оценка

I. Радиометр с модуляцией коэффициента усиления и шумовым пилот-сигналом на входе криоблока

1 Теоретическая эквивалентная шумовая температура системы 710 5

2 Нестабильность шумовой температуры КТРУ 2,5-Ю-5

3 Нестабильность шумового сигнала компенсации МО5

Результат расчета 7,5-10 3

Результат измерения 9-10 5

II. Радиометр с модуляцией коэффициента усиления и шумовым пилот-сигналом на выходе криоблока

1 Нестабильность выходного сигнала приемника с компенсацией по входу 7,5-10-s

2 Нестабильность коэффициента усиления КТРУ, вызванная током питания 7-10 3

3 Нестабильность коэффициента усиления КТРУ, вызванная нестабильностью физической температуры 3-10 5

Результат расчета 10-10-5

Результат измерения 14-10-5

Iii. Радиометр с модуляцией коэффициента усиления и компенсацией по низкой частоте

! Эквивалентная шумовая температура системы 7-Ю-5 ■

2 Нестабильность шумовой температуры КТРУ 2,5-10 5

3 Нестабильность коэффициента усиления КТРУ 7-Ю-5

4 Нестабильность коэффициента преобразования смесителя 8-Ю"5

5 Нестабильность коэффициента усиления УПУ 2-10 5

6 Нестабильность сигнала компенсации 1-10-5

Результат расчета 13-10-5

Результат измерения 17-10-5

IV. Компенсационный радиометр

1 Эквивалентная шумовая температура системы 3,2-Ю5

Результат расчета 11,5-10 5

Результат измерения 32-10 5

Фликср-шум и наводки 20-10 5

Облучатель, входной блок криогенных радиометров с устройствами преобразования сигналов к промежуточной частоте и синхронизируемыми гетеродинами, с устройствами фазовой и амплитудной калибровок, смонтированы в первичном фокусе.

Для успешного функционирования РСДБ пункта "Симеиз" проведены комплексные исследования аппаратуры наблюдательного пункта (НП). Эти исследования можно разделить на две части:

- исследования параметров системы "радиотелескоп-радиометр" в радиометрическом режиме одиночного радиотелескопа;

- исследования параметров аппаратуры НП в режиме РСДБ сети и исследование характеристик аппаратуры в ходе постпроцессорной обработки данных.

Методика измерений и обработки, а также результаты расчетов подробно представлены в работе. Для иллюстрации достигнутых параметров системы приводятся графики зависимости шумовой температуры от угла места источника по результатам суточного сеанса наблюдений.

На основе детального анализа определены вклады основных составляющих в. шумовую температуру системы Тсис для каждого диапа-юна (таблиц^ 2).

Таблица 2. Вклады в шумовую температуру системы

Т 1 системы т * приемника ^тракта "тглавч.леп. тбоков.леп

13 см 78 К 25 К 26 К 7 К 20 К

3,5 см 61 к 30 К _ 9 К 15 К

Исследования в режиме РСДБ сети содержали определения амплитудной и фазовой стабильности приемной аппаратуры собственно пуча и определение амплитуды и фазы корреляционного отклика для каж-[ой пары антенн сети. Для исследования стабильности аппаратуры

пункта па вход радиометра подавался синхронизированный сигнал генератора пикосекундных импульсов, который выделялся в каждом канале. Обсуждены способы использования сигналов фазовой калибровки для оценки качества работы приемников. Полученные характеристики НП "Симеиз" показывают достаточно Хорошую стабильность как фаговых, так и амплитудных характеристик аппаратуры пункта.

Измерения положения инструмента проводились путем наблюдения более 50 опорных радиоисточников, координаты которых известны с точностью лучше 1 мс дуги. Определение положения внегалактических источников и их структуры проводились в рамках шестнадцати наблюдательных сессий по различным программам. В каждой сессии принимало участие от шести до двенадцати станций. Размеры баз, образованных станцией "Симеиз" с некоторыми инструментами, а также ошибки измерений приведены в таблице 3.

Таблица 3. Значения модулей векторов баз_

Радиоинтерферометр База, мм а, мм

Симеиз - Фэрбенкс 7397804139.3 6.7

Симеиз - Матера 1472857737.4 2.4

Симеиз - Вестфорд 7376276347.2 6.2

Симеиз - Веттцель 1684604524.8 2.6

Проекций вектора положения станции "Симеиз" и значения расхождений с предыдущими измерениями других авторов, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Проекции вектора положения станции "Симеиз"_

Проекция Величина, мм Расхождения, мм <т, мм

X 3785230826.1 3526.1 5.9

У 2551207490.5 90.5 6.0

ъ 4439796120.0 -10780.0 9.5

Проведенные исследования показали, что оснащение станции "Симеиз" высокочувствительной приемной аппаратурой и широкополосной системой записи позволяет проводить высокочувствительные измерения для геодинамических и радиоастрономических исследований. Это открывает широкие возможности для исследования структуры радиоисточников и высокоточных координатных исследований.

Использование параметра Б ЕГО - эквивалентной плотности потока системы "радиотелескоп-радиометр", оказалось очень удобным для характеристики радиотелескопа, поскольку объединяет в себе две характеристики - эффективную площадь и шумовую температуру. Как пример использования БЕРО при планировании и обработке эксперимента использованы результаты международного эксперимента по наблюдениям астероида 1991 Ж в Евпатории (РТ-70) в диапазоне 3,5 см, когда для калибровки мощности сигнала нами использовались измерения БЕРО антенны на разных высотах. Наше участие в комплексной программе исследований астероида 1991 ЛХ заключалось в подготовке приемной аппаратуры и проведении наблюдений, в получении и анализе результатов.

Радиолокационная астрометрия включала высокоточное определение линейный (радиальная скорость и расстояние Земля-астероид) и угловых координат. Достигнута точность 30 м по расстоянию и 0,3 мм/с по скорости. На основе всей совокупности данных уточнена орбита астероида и составлен надежный прогноз его движения. Созданный впервые межконтинентальный астероидный радиолокатор позволил получить ценные сведения о динамике физичесхих характеристиках исследовавшегося объекта и подтвердил высокие характеристики использованной в Евпатории приемной аппаратуры.

Заключение

В этой части диссертации приводятся основные результаты многолетней исследовательской работы. В табл. 5 сведены данные о шумовых температурах и месте установки разработанных нами приемников. Таблица 5. Шумовые температуры приемников ИПА РАН_

Антенна, на которой установлен Эквивалентная шумовая

приемник температура входа приемника, К

Диапазон 3,5 см Диапазон 13 см

РТ-70 (Уссурийск) 45 30

РТ-70 (Евпатория) 45 30

РТ-22 (Симеиз) 30 25

Шанхайская обсерватория 12 -

(диаметр антенны 25 м)

РТ-32 (Система "Квазар"), 15 13

не хуже

Успешный опыт эксплуатации макетного и экспериментального образцов в Симеизе и Евпатории показал правильность заложенных при проектировании технических решений, что дало возможность получить новые научные результаты применяя Б/Х криорадиометры для решения различных научных задач.

Здесь же представлены и проанализированы сравнительные БЕРО характеристики радиотелескопов из состава мировых РСДБ-сетей с антеннами, оснащенными нашими приемниками. В результате этого сравнения автор приходит к выводу, что тщательная разработка и мсгодич-ное всестороннее исследование криоэлектронных сверхмалошумящих Б/Х приемников позволили получить аппаратуру, обладающую параметрами на уровне лучших мировых образцов. Далее сформулированы основные выводы работы, ее практическая ценность и положения выносимые на защиту.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ипатов А. В., Мардышкин В.В. Радиометр диапазона 4 см с шумовой температурой 20 К. - Тезисы докладов XIV конференции "Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы", Ереван, !982. - Ереван, 1982.-с. 75.

2. Ипатов А.' В., Корольков Д. В., Мардышкин В. В. МКС МСМР-575Н-

I,2/4,5 в составе радиометра КР-4. - Течисы докладов всесоюзной конференции "Микрокриогенная техника-84", Омск, ¡984.- Омск, 1984.-е. 132-133.

3. Госачинсхий А. И., Ипатов А. В., Мардышкин В. В., Михайлов А. Г.,. Хай-ров Р. Р., Лебедь В.И. Двухчастотный криорадиометр на длины волн 13 и 3,5 см. -Тезисы докладов XXI конференции "Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы", Ереван 1989. - Ереван, 1989.-е. 139-140.

4. Радиоинтерферометрический комплекс "КВДЗАР-КВО". Высокочувствительный приемный СВЧ-комплекс: Эскизный проект. - ИПА РАН.-ИЕПГЭ.01.003.01.02.02Г13. -Ленинград, 1988,-¡61 с.

5. IpatovA. V., Ipatoval. A., MardyshkinV. V. Cryogenic cooled radiometers for QUASAR network, in VLBI Technology: Progress and Future Observational Possibilities (eds. &asao Т., Manabe S., Kameya O., Iniue M.) Terra Scientific Publishing Company. Tokyo, 1994 - p. 200-204.

6. Исследование возможностей создания сверхмалошумящих высокочувствительных криорадиочетров диапазона длин волн 21 см, 13 см, 6 см, 3,5 см, 1.35 см ("Риастра"): Отчет о НИР - ИПА РАН; кнв. N 44,- 1992,- 95 с.

7. Ipatoval., IpatovA., Mardyshkin V. - Cryogenic cooled radiometer for the QUASAR network. URS/IAU Symposium on ULBI technology, abstract September 6 -

II, 1993, Kyoto, Japan.-Kyoto, ¡993.-p. 74.

8. Выбор оптимальной схемы радиометра, разработка отдельных блоков и узлов для создания сверхмалошумящих высокочувствительных криорадкометров

диапазонов длин волн 21 см, 13 см, 6 см, 3,5 см, 1,35 см ("Риастра"): Отчет о НИР -ИПАРАН; HHB.N51.- 1993.-51 с.

9. Ipatov А., Ipatova I., Ivanov D., Kutuzov A., Mikhailov A., Mardyshkin V. А New S/'X-band Receiver for the Simeis VLBI Station. - Proc. 2nd EVN/JIVE Symposium Torun October 21, 1994. - Torun, .-p. 113-116.

10. КларкТ., БосвортДж., Ванденберг H., ГордонД., Химвич Е., • Шаф-ферД., Витней А., Корен Б., Ниел А., Томас С., МатвеенкоЛ. И., Мусин Р. X., Шевченко А. В., Нестеров Н. С., Степанов А. В., Никитин П. С., Ипатов А. В., Иванов Д. Е., Мардышкин В. В., Яцкив Я. С., Медведский М. М. Прецизионные измерения положения станции радиоинтерферометрической сети "Симеиз". - Письма в АЖ.- 1995.-Т. 21, N2.-с. 129-131.

11. Разработка и исследование макетного образца комплекса сверхмалошу-мящего высокочувствительного радиометра дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн ("Ркастра"): Отчет о НИР - ИПА РАН; инв. N 53 - 1994.-45 с.

12. Stepanov, Yatskiv, Finkelstein, Ipatov, Mardyshkin, Matveenko, Clark and ath. Geodetic VLBI from the RT-22 telescope at Simeis. - 6-th General Assembly of WEGENER, St. Petersburg, 20-24 June, 1994. -p. 45^16.

13. Оборудование радиотелескопа диаметром 22 м (РТ-22) Крымской астрофизической обсерватории радиоинтерферометрической системой МК-Ш для решения задач геодинамики: Эскизный проект- КрАО; Кацивели, 1992.—40с.

14. Иванов Д. В., Ипатов А. В., Мардышкин В. В., Петров Л. Ю., Смолен-цев С. Г., Вольвач А. Е., Нестеров Н. С. Первые результаты определения положения станции "Симеиз" по РСДБ-наблюдениям в составе международных сетей. -Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С.Петербург 18-22 сентября 1995.-С. Петербург.- 1995.-с. 230-231.

15. Байкова А. Т., Брагинская М. В., ПятунинаТ. Б., Финкельштейн А. М., Ипатов А. В., Мардышкин В. В., Смоленцев С. Г., Нестеров Н. С. Первые результаты картографирования геодезических радиоисточников на глобальной радиоин-

терферометрнческой решетке, включающей станцию "Симеиз". - Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995. -С. Петербург. - 1995. - с. 232-233.

16. Зайцев А. Л., Дорощук О. П., ИпатовА. В., Игнатов С. П., Котока Ю. Ф., КривцовА. П., Маргсрин О. К., Мардышкин В. В., Молотов Е. П., Остро С. Дж., Петренко А. Г., Ржига О. К., Шубин В. П., ЮмансД. К. Радиолокация астероида 1991 ЛХ на волне 3,5 см с помощью межконтинентальной системы Голдстоун - Евпатория. - Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995.-С. Петербург.-1995. - с. 238-240.

17. Мардышкин В. В. Приемники диапазонов 13/3,5 см для радиоастрометрии. - Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995. - С. Петербург. 1995. - с. 345-347.

18. ИпатовА. В., ИпатоваИ. А., Иванов Д. В., Мардышкин В. В., Михайлов А. Г. Радиометры для РСДБ станции в Шанхае. •• Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С.Петербург 18-22 сентября 1995. - С. Петербург. - 1995. - с. 348-349.

19. БычковА. А., ГромовА. В., ИпатовА. В., Мардышкин В. В., Смирнов А. В., Хоменко В. П. Микрокриогенная система для криостатирования МШУ радиоастрономических комплексов. - Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995. - С. Петербург- 1995. -с. 351-352.

20. Ипатов А. В., Мардышкин В. В., Михайлов А. Г., Яцык П. А. Автоматизация управления приемным СВЧ комплексом. - Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентябре 1995. - С. Петербург. -1995.-с. 356-357.

21. Вольвач А. Е., Миронов М. А., Нестеровы. С., Поздняков М. М., Кратов А. В., Иванов Д. В., Мардышкин В. В. Характеристики системы радиотелескоп-радиометр в диапазоне 13/3,5 см для РТ-22, Симеиз. - Тезисы докладов XXVI Ра-

дноастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995. - С. Петербург. - 1995. - с. 356-357.

22. Горновесов С. Ю., Кольцов Н. Е., Мардышкин В. В., Михайлов А. Г.. Цифровой измеритель мощности широкополосных сигналов для радиометра. - Тезисы докладов XXVI Радиоастрономической конференции, С. Петербург 18-22 сентября 1995. - С. Петербург. 1995. - с. 387-388

23. Tsvetkov L. I., Nesterov N. S., Pozdnjakov M. M., Mironov М. A., Strepka I. D., BaranovN. V.. IpatovA.V., Ipatoval. A., IvanovD. V., KutuzovA. S., Mardyshkin V. V. and Mikhailov A. G. The Simeiz VLBI station: a applied experience of the S/X-band receiver system. - Proceedings of 5th International symposium on recent advances in microwave technology, Kiev, Ukraine September 11-16, 1995. - Kiev, 1995. -p. 654-657.

24. Нестеров H. С., Матвеенко Л. И., Кларк Т. А., БосвортДж., Ванден-берг Н., Гордон Д., Химвич Е., Щаффер Д., ВитнейА., Корей Б., НиелА., Томас С., Копелянский Г. Д., Мусин P. X., Шевченко А. В., ВольвачА. Е., Степанов А. В., Никитин П. С., Ипатов А. В., Мардышкин В. В., Иванов Д. В., Яцкив Я. С., Медведский М. М. РСДБ станция Симеиз - новый статус. - Тезисы докладов-XXVI Радиоастрономической конференции, С.Петербург 18-22 сентября 1995. -С. Петербург. - 1995.-е. 229-230.

25. Nesterov N. S., Volvach А. V., Stepanov А. V., Nikitin P. S., Matveenko L. I., Kopelyanski G. D., Musin R. H., Shevchenko A. V., Ipatov A. V., Mardishkin V. V., Ivanov D. V* Smolentsev S. G., Yatskiv Ya. S„ Medvedski M. M„ Clark T. A., Vandenberg N., Himwich E., KLorey В., Tomas C. Simeiz VLBI statio. - Joint European & National Astron. Meet., 1995, Sept.,25-29 - Catania, Italy. Abstarcts.-p.61.