太赫茲變溫黑體系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，包括：底座，所述底座上懸置固定有太赫茲黑體，太赫茲黑體連接溫度檢測(cè)控制裝置。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種特別適用于4K溫區(qū)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其可非常容易地應(yīng)用于超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
太赫ifi變溫黑體系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種變溫黑體系統(tǒng)，具體涉及一種太赫茲變溫黑體系統(tǒng)。本發(fā)明屬于儀器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波段一般定義為0.1-1OTHz頻率區(qū)間，覆蓋短毫米波至亞毫米波(遠(yuǎn)紅外)頻段。在天文學(xué)領(lǐng)域，太赫茲波段占有微波背景輻射(CMB)以后宇宙近一半光子能量，特別適合觀(guān)測(cè)研究第一代恒星形成、星系形成和演化、恒星和行星系統(tǒng)形成和早期演化、地外行星系統(tǒng)大氣物理化學(xué)特性、以及宇宙生命起源等現(xiàn)代天文學(xué)中最重要前沿科學(xué)問(wèn)題。為此，國(guó)際上已建設(shè)并提出了一系列地面與空間太赫茲天文計(jì)劃(如JCMT、SPICA、CCAT等)。在這些太赫茲天文計(jì)劃中，大規(guī)模陣列成像探測(cè)器都作為主觀(guān)測(cè)設(shè)備，用于太赫茲/遠(yuǎn)紅外波段的大天區(qū)成像巡天，為行星、恒星、星系和宇宙學(xué)研究提供這一獨(dú)特波段的巡天傳世數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，大規(guī)模陣列成像探測(cè)器配合二維光譜儀是宇宙星際介質(zhì)性質(zhì)診斷和宇宙學(xué)距離上天體紅移精確測(cè)定的獨(dú)特手段。大規(guī)模陣列成像探測(cè)器主要基于非相干探測(cè)器技術(shù)，太赫茲波段高靈敏度非相干探測(cè)器技術(shù)主要有超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器(TES)和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器(KID)，兩者均屬于低溫超導(dǎo)探測(cè)器，工作在亞K溫區(qū)(如300mK或者更低溫區(qū))。在300mK溫區(qū)，超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度均可達(dá)I X 10—Ww/Hd.5，滿(mǎn)足實(shí)際天文微弱信號(hào)觀(guān)測(cè)需求。
[0003]超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征需要太赫茲變溫黑體系統(tǒng)作為定標(biāo)源。由于超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度高且動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小(特別是超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器)，探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征所需太赫茲變溫黑體系統(tǒng)輻射溫度一般要求不超過(guò)25K。為了實(shí)現(xiàn)低輻射溫度太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，需要對(duì)太赫茲黑體進(jìn)行制冷冷卻，常用方法是將太赫茲黑體直接集成于探測(cè)器工作所在杜瓦低溫冷級(jí)(如4K冷級(jí))。另一方面，探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征還要求太赫茲變溫黑體系統(tǒng)輻射溫度連續(xù)可變，因此需要對(duì)太赫茲黑體進(jìn)行加熱控溫。為了減小太赫茲黑體加熱控溫過(guò)程對(duì)杜瓦4K冷級(jí)溫度影響，太赫茲黑體與杜瓦4K冷級(jí)之間要求具有良好熱隔離，現(xiàn)常用熱隔離方法是采用低熱導(dǎo)材料(如不銹鋼或玻璃鋼等)支柱將太赫茲黑體固定于杜瓦4K冷級(jí)。然而，為了實(shí)現(xiàn)良好熱隔離，不銹鋼或玻璃鋼支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般非常復(fù)雜(為了有效增長(zhǎng)熱傳導(dǎo)長(zhǎng)度)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求探測(cè)器杜瓦具有足夠大空間集成太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其增加了探測(cè)器杜瓦系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，也有可能會(huì)影響整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)工作可靠性。因此，對(duì)于超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征，亟需開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊、易于4K溫區(qū)集成應(yīng)用的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)作為定標(biāo)源。現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法提供相關(guān)的技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高，不適用于4K溫區(qū)集成應(yīng)用的技術(shù)問(wèn)題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0006]太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，包括:底座，所述底座上懸置固定有太赫茲黑體，太赫茲黑體連接溫度檢測(cè)控制裝置。
[0007]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述底座和太赫茲黑體之間相互熱隔離。
[0008]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述底座上安裝有用于懸置固定太赫茲黑體的固定裝置，所述固定裝置包括固定線(xiàn)、固定輪、緊固件，所述固定輪和緊固件均固定安裝在底座上，固定線(xiàn)連接太赫茲黑體，并使得太赫茲黑體與底座之間相互熱隔離，固定輪連接固定線(xiàn)，緊固件連接固定線(xiàn)并鎖緊固定線(xiàn)。
[0009]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，溫度檢測(cè)控制裝置包括溫度監(jiān)視器、用于加熱太赫茲黑體的加熱器、用于實(shí)時(shí)監(jiān)視太赫茲黑體溫度的溫度計(jì)，溫度監(jiān)視器分別連接加熱器、溫度計(jì)。
[0010]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述太赫茲黑體包括金屬板，金屬板至少有一單面涂覆有太赫茲吸波材料。
[0011]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述固定線(xiàn)為凱夫拉固定線(xiàn)。
[0012]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度監(jiān)視器為集成PID控制的溫度監(jiān)視器。
[0013]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度檢測(cè)控制裝置包括用于溫度計(jì)與控制器之間、加熱器與控制器之間電信號(hào)連接的電連接線(xiàn)。
[0014]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述電連接線(xiàn)為低溫線(xiàn)或直徑較小普通金屬漆包線(xiàn)，其漏熱功率設(shè)計(jì)為5-10mW。
[0015]前述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述太赫茲變溫黑體系統(tǒng)應(yīng)用于4K溫區(qū)。
[0016]本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種特別適用于4K溫區(qū)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其可非常容易地應(yīng)用于超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明太赫茲變溫黑體系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施的主視圖；
[0018]圖2是本發(fā)明太赫茲變溫黑體系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0020]參照?qǐng)D1和圖2所示，本發(fā)明提供太赫茲變溫黑體系統(tǒng)。包括:底座，底座上懸置固定有太赫茲黑體，太赫茲黑體連接溫度檢測(cè)控制裝置。太赫茲黑體懸置固定在底座上，使得底座和太赫茲黑體之間相互熱隔離。溫度檢測(cè)控制裝置加熱太赫茲，并實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控太赫茲黑體的實(shí)時(shí)溫度。本發(fā)明原則上不限制底座上懸置固定太赫茲黑體的方式以及采用什么結(jié)構(gòu)，以及溫度檢測(cè)控制裝置的具體構(gòu)造。也不限制太赫茲變溫黑體系統(tǒng)適用溫區(qū)范圍，但是作為最優(yōu)選擇，本發(fā)明適用在4K溫區(qū)(如低溫杜瓦4K冷級(jí)上)集成應(yīng)用，同時(shí)，本實(shí)施例提供如下一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊的具體裝置。
[0021]本實(shí)施例的技術(shù)方案是提供一種應(yīng)用于4K溫區(qū)的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括:
[0022]太赫茲黑體，用于產(chǎn)生太赫茲波段電磁波輻射；
[0023]底座，用于懸置固定太赫茲黑體，實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體與杜瓦4K冷級(jí)之間匹配固定；
[0024]固定線(xiàn)，用于懸置太赫茲黑體，實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體與底座之間良好熱隔離；
[0025]固定輪，連接固定線(xiàn)，與固定線(xiàn)一起用于懸置太赫茲黑體；
[0026]緊固件，連接固定線(xiàn)，用于鎖緊固定線(xiàn)，進(jìn)而懸置固定太赫茲黑體;太赫茲黑體是通過(guò)凱夫拉固定線(xiàn)、固定輪和緊固件懸置固定于底座上，而底座是直接固定杜瓦4K冷級(jí)；
[0027]溫度計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視太赫茲黑體溫度；
[0028]加熱器，用于加熱太赫茲黑體；
[0029]溫度監(jiān)視器，讀取溫度計(jì)溫度并同時(shí)為加熱器提供直流偏置，用于太赫茲黑體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控；
[0030]電連接線(xiàn)，用于溫度計(jì)與控制器之間以及加熱器與控制器之間電信號(hào)連接。
[0031]在該太赫茲變溫黑體系統(tǒng)中，太赫茲黑體是金屬板(如鋁板)單面涂覆太赫茲吸波材料(如STYCAST+碳化硅顆粒)，屬于平面型太赫茲黑體。太赫茲黑體可產(chǎn)生太赫茲波段電磁波輻射。當(dāng)然，也可以在金屬板雙面涂覆太赫茲吸波材料。與常規(guī)角錐陣列型太赫茲黑體(在金屬表面機(jī)械加工金屬角錐陣列，然后涂覆太赫茲吸波材料)和空腔反射型太赫茲黑體(制備成特殊形狀腔體，電磁波可在腔體內(nèi)多次反射，其腔體內(nèi)部涂覆太赫茲吸波材料)相比，平面型太赫茲黑體制備容易、體積小、易于在低溫杜瓦4K冷級(jí)上集成應(yīng)用。為了熱隔離太赫茲黑體與底座(底座用于匹配固定太赫茲黑體與杜瓦4K冷級(jí)，其直接固定于4K冷級(jí))，本發(fā)明利用凱夫拉(Kevlar)固定線(xiàn)懸置太赫茲黑體。凱夫拉線(xiàn)低溫?zé)釋?dǎo)系數(shù)低，4K溫區(qū)凱夫拉線(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)可低達(dá)10—7W/cm.K，比尼龍線(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)還小幾百倍，有效隔離了太赫茲黑體與底座之間熱傳導(dǎo)，同時(shí)凱夫拉線(xiàn)還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如機(jī)械強(qiáng)度高、耐曲折、膨脹系數(shù)小等，有效提高了系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度與穩(wěn)定性。在本發(fā)明中，太赫茲黑體金屬板側(cè)面開(kāi)通孔，凱夫拉固定線(xiàn)穿過(guò)金屬板側(cè)面通孔后，通過(guò)固定輪和緊固件實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體懸置固定，最后太赫茲黑體金屬板側(cè)面通孔內(nèi)涂覆STYCAST。太赫茲黑體金屬板背面固定溫度計(jì)和加熱器，，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視太赫茲黑體溫度和改變太赫茲黑體溫度。為了精確監(jiān)控太赫茲黑體溫度，通過(guò)集成PID(Proport1nal Integral Derivative)控制的溫度監(jiān)視器精確監(jiān)控太赫茲黑體溫度。集成PID控制的溫度監(jiān)視器與溫度計(jì)和加熱器通過(guò)電連接線(xiàn)連接。為了實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體加熱后快速回溫，溫度計(jì)或加熱器與溫度監(jiān)視器之間電連接線(xiàn)建議采用低溫線(xiàn)或直徑較小普通金屬漆包線(xiàn)，漏熱功率設(shè)計(jì)為5-10mW(25K至5K)，其可實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體加熱后快速回溫。本發(fā)明所涉及太赫茲變溫黑體系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，易于在超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器工作杜瓦4K冷級(jí)上集成應(yīng)用。
[0032]作為進(jìn)一步地改進(jìn)，太赫茲黑體為金屬板(如鋁板)單面涂覆太赫茲吸波材料(如STYCAST+碳化硅顆粒)。固定線(xiàn)為凱夫拉固定線(xiàn)。進(jìn)一步地，溫度監(jiān)視器為集成PID控制的溫度監(jiān)視器。進(jìn)一步地，電連接線(xiàn)為低溫線(xiàn)或直徑較小普通金屬漆包線(xiàn)，其漏熱功率設(shè)計(jì)為5-1011^(251(至410。
[0033]總結(jié)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于4K溫區(qū)的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)。本發(fā)明采用凱夫拉固定線(xiàn)懸置太赫茲黑體，并通過(guò)固定輪和緊固件實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體高強(qiáng)度固定。在本發(fā)明中，太赫茲黑體是金屬板(如鋁板)單面涂覆太赫茲吸波材料(如STYCAST+碳化硅顆粒)，屬于平面型太赫茲黑體，其體積較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于在杜瓦4K冷級(jí)上集成應(yīng)用。另外，本發(fā)明采用集成PID控制的溫度監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)控太赫茲黑體溫度，可實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體溫度精確控制
[0034]本發(fā)明采用凱夫拉固定線(xiàn)懸置平面型太赫茲黑體。凱夫拉固定線(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)低，可有效熱隔離太赫茲黑體與底座。另外，凱夫拉固定線(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度高、耐曲折、膨脹系數(shù)小，其有效提高了系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度以及工作可靠性。
[0035]相比于常規(guī)應(yīng)用于4K溫區(qū)的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)(如采用角錐陣列型太赫茲黑體和空腔反射型太赫茲黑體，并采用不銹鋼或玻璃鋼支柱作為熱隔離體)，本發(fā)明的應(yīng)用于4K溫區(qū)的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)具有如下技術(shù)進(jìn)步性:
[0036]I)本發(fā)明采用平面型太赫茲黑體，即金屬板(如鋁板)單面涂覆太赫茲吸波材料(如STYCAST+碳化硅顆粒)，其體積小，易于低溫集成。
[0037]2)本發(fā)明采用熱導(dǎo)系數(shù)低且機(jī)械強(qiáng)度高凱夫拉固定線(xiàn)懸置固定太赫茲黑體，有效熱隔離太赫茲黑體與杜瓦4K冷級(jí)，并增強(qiáng)了系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度和工作穩(wěn)定性。
[0038]3)本發(fā)明采用集成PID控制的溫度監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)視太赫茲黑體溫度，并同時(shí)為加熱器提供直流偏置，并為加熱器提供加熱信號(hào)，采用集成PID控制的溫度監(jiān)視器可實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體溫度精確監(jiān)控。
[0039]4)本發(fā)明采用低溫線(xiàn)或者直徑較小普通金屬漆包線(xiàn)(設(shè)計(jì)從25K至4K漏熱為5-1OmW)作為電連接線(xiàn)連接溫度監(jiān)視器和溫度計(jì)或者加熱器，可實(shí)現(xiàn)太赫茲黑體加熱后快速回溫。
[0040]整體上，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于4K溫區(qū)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其可非常容易地應(yīng)用于超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器和超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器靈敏度實(shí)驗(yàn)表征。
[0041]本發(fā)明采用低溫線(xiàn)或直徑較小普通金屬漆包線(xiàn)作為溫度計(jì)或加熱器與集成PID控制的溫度監(jiān)視器之間電連接線(xiàn)，其漏熱功率設(shè)計(jì)為5-10mW(25K至4K)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲黑體加熱后快速回溫。
[0042]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，包括:底座，所述底座上懸置固定有太赫茲黑體，太赫茲黑體連接溫度檢測(cè)控制裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述底座和太赫茲黑體之間相互熱隔離。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述底座上安裝有用于懸置固定太赫茲黑體的固定裝置，所述固定裝置包括固定線(xiàn)、固定輪、緊固件，所述固定輪和緊固件均固定安裝在底座上，固定線(xiàn)連接太赫茲黑體，并使得太赫茲黑體與底座之間相互熱隔離，固定輪連接固定線(xiàn)，緊固件連接固定線(xiàn)并鎖緊固定線(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，溫度檢測(cè)控制裝置包括溫度監(jiān)視器、用于加熱太赫茲黑體的加熱器、用于實(shí)時(shí)監(jiān)視太赫茲黑體溫度的溫度計(jì)，溫度監(jiān)視器分別連接加熱器、溫度計(jì)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述太赫茲黑體包括金屬板，金屬板至少有一單面涂覆有太赫茲吸波材料。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述固定線(xiàn)為凱夫拉固定線(xiàn)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度監(jiān)視器為集成PID控制的溫度監(jiān)視器。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度檢測(cè)控制裝置包括用于溫度計(jì)與控制器之間、加熱器與控制器之間電信號(hào)連接的電連接線(xiàn)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述電連接線(xiàn)為低溫線(xiàn)或直徑較小普通金屬漆包線(xiàn)，其漏熱功率設(shè)計(jì)為5-10mW。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的太赫茲變溫黑體系統(tǒng)，其特征在于，所述太赫茲變溫黑體系統(tǒng)應(yīng)用于4K溫區(qū)。
【文檔編號(hào)】G01J5/52GK105890771SQ201610218741
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】繆巍, 史生才, 張文, 姚騎均, 鐘家強(qiáng)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)