太赫兹变温黑体系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种太赫兹变温黑体系统，其特征在于，包括：底座，所述底座上悬置固定有太赫兹黑体，太赫兹黑体连接温度检测控制装置。本发明实现了一种特别适用于4K温区、结构简单紧凑的太赫兹变温黑体系统，其可非常容易地应用于超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度实验表征。
【专利说明】
太赫ifi变温黑体系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种变温黑体系统，具体涉及一种太赫兹变温黑体系统。本发明属于仪器设计领域。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波段一般定义为0.1-1OTHz频率区间，覆盖短毫米波至亚毫米波(远红外)频段。在天文学领域，太赫兹波段占有微波背景辐射(CMB)以后宇宙近一半光子能量，特别适合观测研究第一代恒星形成、星系形成和演化、恒星和行星系统形成和早期演化、地外行星系统大气物理化学特性、以及宇宙生命起源等现代天文学中最重要前沿科学问题。为此，国际上已建设并提出了一系列地面与空间太赫兹天文计划(如JCMT、SPICA、CCAT等)。在这些太赫兹天文计划中，大规模阵列成像探测器都作为主观测设备，用于太赫兹/远红外波段的大天区成像巡天，为行星、恒星、星系和宇宙学研究提供这一独特波段的巡天传世数据库。另外，大规模阵列成像探测器配合二维光谱仪是宇宙星际介质性质诊断和宇宙学距离上天体红移精确测定的独特手段。大规模阵列成像探测器主要基于非相干探测器技术，太赫兹波段高灵敏度非相干探测器技术主要有超导相变边缘探测器(TES)和超导动态电感探测器(KID)，两者均属于低温超导探测器，工作在亚K温区(如300mK或者更低温区)。在300mK温区，超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度均可达I X 10—Ww/Hd.5，满足实际天文微弱信号观测需求。
[0003]超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度实验表征需要太赫兹变温黑体系统作为定标源。由于超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度高且动态范围相对较小(特别是超导相变边缘探测器)，探测器灵敏度实验表征所需太赫兹变温黑体系统辐射温度一般要求不超过25K。为了实现低辐射温度太赫兹变温黑体系统，需要对太赫兹黑体进行制冷冷却，常用方法是将太赫兹黑体直接集成于探测器工作所在杜瓦低温冷级(如4K冷级)。另一方面，探测器灵敏度实验表征还要求太赫兹变温黑体系统辐射温度连续可变，因此需要对太赫兹黑体进行加热控温。为了减小太赫兹黑体加热控温过程对杜瓦4K冷级温度影响，太赫兹黑体与杜瓦4K冷级之间要求具有良好热隔离，现常用热隔离方法是采用低热导材料(如不锈钢或玻璃钢等)支柱将太赫兹黑体固定于杜瓦4K冷级。然而，为了实现良好热隔离，不锈钢或玻璃钢支柱结构设计一般非常复杂(为了有效增长热传导长度)，复杂结构要求探测器杜瓦具有足够大空间集成太赫兹变温黑体系统，其增加了探测器杜瓦系统设计难度，也有可能会影响整个探测器系统工作可靠性。因此，对于超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度实验表征，亟需开发一种结构简洁紧凑、易于4K温区集成应用的太赫兹变温黑体系统作为定标源。现有技术无法提供相关的技术支持。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太赫兹变温黑体系统，以解决现有技术结构复杂、可靠性不高，不适用于4K温区集成应用的技术问题。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0006]太赫兹变温黑体系统，其特征在于，包括:底座，所述底座上悬置固定有太赫兹黑体，太赫兹黑体连接温度检测控制装置。
[0007]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述底座和太赫兹黑体之间相互热隔离。
[0008]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述底座上安装有用于悬置固定太赫兹黑体的固定装置，所述固定装置包括固定线、固定轮、紧固件，所述固定轮和紧固件均固定安装在底座上，固定线连接太赫兹黑体，并使得太赫兹黑体与底座之间相互热隔离，固定轮连接固定线，紧固件连接固定线并锁紧固定线。
[0009]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，温度检测控制装置包括温度监视器、用于加热太赫兹黑体的加热器、用于实时监视太赫兹黑体温度的温度计，温度监视器分别连接加热器、温度计。
[0010]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述太赫兹黑体包括金属板，金属板至少有一单面涂覆有太赫兹吸波材料。
[0011]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述固定线为凯夫拉固定线。
[0012]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述温度监视器为集成PID控制的温度监视器。
[0013]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述温度检测控制装置包括用于温度计与控制器之间、加热器与控制器之间电信号连接的电连接线。
[0014]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述电连接线为低温线或直径较小普通金属漆包线，其漏热功率设计为5-10mW。
[0015]前述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述太赫兹变温黑体系统应用于4K温区。
[0016]本发明的有益之处在于:本发明实现了一种特别适用于4K温区、结构简单紧凑的太赫兹变温黑体系统，其可非常容易地应用于超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度实验表征。
【附图说明】
[0017]图1是本发明太赫兹变温黑体系统的一个优选实施的主视图；
[0018]图2是本发明太赫兹变温黑体系统的一个优选实施的侧视图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0020]参照图1和图2所示，本发明提供太赫兹变温黑体系统。包括:底座，底座上悬置固定有太赫兹黑体，太赫兹黑体连接温度检测控制装置。太赫兹黑体悬置固定在底座上，使得底座和太赫兹黑体之间相互热隔离。温度检测控制装置加热太赫兹，并实时检测监控太赫兹黑体的实时温度。本发明原则上不限制底座上悬置固定太赫兹黑体的方式以及采用什么结构，以及温度检测控制装置的具体构造。也不限制太赫兹变温黑体系统适用温区范围，但是作为最优选择，本发明适用在4K温区(如低温杜瓦4K冷级上)集成应用，同时，本实施例提供如下一种结构简洁紧凑的具体装置。
[0021]本实施例的技术方案是提供一种应用于4K温区的太赫兹变温黑体系统，其设计要点包括:
[0022]太赫兹黑体，用于产生太赫兹波段电磁波辐射；
[0023]底座，用于悬置固定太赫兹黑体，实现太赫兹黑体与杜瓦4K冷级之间匹配固定；
[0024]固定线，用于悬置太赫兹黑体，实现太赫兹黑体与底座之间良好热隔离；
[0025]固定轮，连接固定线，与固定线一起用于悬置太赫兹黑体；
[0026]紧固件，连接固定线，用于锁紧固定线，进而悬置固定太赫兹黑体;太赫兹黑体是通过凯夫拉固定线、固定轮和紧固件悬置固定于底座上，而底座是直接固定杜瓦4K冷级；
[0027]温度计，用于实时监视太赫兹黑体温度；
[0028]加热器，用于加热太赫兹黑体；
[0029]温度监视器，读取温度计温度并同时为加热器提供直流偏置，用于太赫兹黑体温度实时监控；
[0030]电连接线，用于温度计与控制器之间以及加热器与控制器之间电信号连接。
[0031]在该太赫兹变温黑体系统中，太赫兹黑体是金属板(如铝板)单面涂覆太赫兹吸波材料(如STYCAST+碳化硅颗粒)，属于平面型太赫兹黑体。太赫兹黑体可产生太赫兹波段电磁波辐射。当然，也可以在金属板双面涂覆太赫兹吸波材料。与常规角锥阵列型太赫兹黑体(在金属表面机械加工金属角锥阵列，然后涂覆太赫兹吸波材料)和空腔反射型太赫兹黑体(制备成特殊形状腔体，电磁波可在腔体内多次反射，其腔体内部涂覆太赫兹吸波材料)相比，平面型太赫兹黑体制备容易、体积小、易于在低温杜瓦4K冷级上集成应用。为了热隔离太赫兹黑体与底座(底座用于匹配固定太赫兹黑体与杜瓦4K冷级，其直接固定于4K冷级)，本发明利用凯夫拉(Kevlar)固定线悬置太赫兹黑体。凯夫拉线低温热导系数低，4K温区凯夫拉线热导系数可低达10—7W/cm.K，比尼龙线热导系数还小几百倍，有效隔离了太赫兹黑体与底座之间热传导，同时凯夫拉线还具有其他优点，如机械强度高、耐曲折、膨胀系数小等，有效提高了系统机械强度与稳定性。在本发明中，太赫兹黑体金属板侧面开通孔，凯夫拉固定线穿过金属板侧面通孔后，通过固定轮和紧固件实现太赫兹黑体悬置固定，最后太赫兹黑体金属板侧面通孔内涂覆STYCAST。太赫兹黑体金属板背面固定温度计和加热器，，用于实时监视太赫兹黑体温度和改变太赫兹黑体温度。为了精确监控太赫兹黑体温度，通过集成PID(Proport1nal Integral Derivative)控制的温度监视器精确监控太赫兹黑体温度。集成PID控制的温度监视器与温度计和加热器通过电连接线连接。为了实现太赫兹黑体加热后快速回温，温度计或加热器与温度监视器之间电连接线建议采用低温线或直径较小普通金属漆包线，漏热功率设计为5-10mW(25K至5K)，其可实现太赫兹黑体加热后快速回温。本发明所涉及太赫兹变温黑体系统机械强度高，结构简洁紧凑，易于在超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器工作杜瓦4K冷级上集成应用。
[0032]作为进一步地改进，太赫兹黑体为金属板(如铝板)单面涂覆太赫兹吸波材料(如STYCAST+碳化硅颗粒)。固定线为凯夫拉固定线。进一步地，温度监视器为集成PID控制的温度监视器。进一步地，电连接线为低温线或直径较小普通金属漆包线，其漏热功率设计为5-1011^(251(至410。
[0033]总结来说，本发明实现了一种应用于4K温区的太赫兹变温黑体系统。本发明采用凯夫拉固定线悬置太赫兹黑体，并通过固定轮和紧固件实现太赫兹黑体高强度固定。在本发明中，太赫兹黑体是金属板(如铝板)单面涂覆太赫兹吸波材料(如STYCAST+碳化硅颗粒)，属于平面型太赫兹黑体，其体积较小，结构简单紧凑，易于在杜瓦4K冷级上集成应用。另外，本发明采用集成PID控制的温度监视器实时监控太赫兹黑体温度，可实现太赫兹黑体温度精确控制
[0034]本发明采用凯夫拉固定线悬置平面型太赫兹黑体。凯夫拉固定线热导系数低，可有效热隔离太赫兹黑体与底座。另外，凯夫拉固定线机械强度高、耐曲折、膨胀系数小，其有效提高了系统机械强度以及工作可靠性。
[0035]相比于常规应用于4K温区的太赫兹变温黑体系统(如采用角锥阵列型太赫兹黑体和空腔反射型太赫兹黑体，并采用不锈钢或玻璃钢支柱作为热隔离体)，本发明的应用于4K温区的太赫兹变温黑体系统具有如下技术进步性:
[0036]I)本发明采用平面型太赫兹黑体，即金属板(如铝板)单面涂覆太赫兹吸波材料(如STYCAST+碳化硅颗粒)，其体积小，易于低温集成。
[0037]2)本发明采用热导系数低且机械强度高凯夫拉固定线悬置固定太赫兹黑体，有效热隔离太赫兹黑体与杜瓦4K冷级，并增强了系统机械强度和工作稳定性。
[0038]3)本发明采用集成PID控制的温度监视器实时监视太赫兹黑体温度，并同时为加热器提供直流偏置，并为加热器提供加热信号，采用集成PID控制的温度监视器可实现太赫兹黑体温度精确监控。
[0039]4)本发明采用低温线或者直径较小普通金属漆包线(设计从25K至4K漏热为5-1OmW)作为电连接线连接温度监视器和温度计或者加热器，可实现太赫兹黑体加热后快速回温。
[0040]整体上，本发明实现了一种应用于4K温区、结构简单紧凑的太赫兹变温黑体系统，其可非常容易地应用于超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器灵敏度实验表征。
[0041]本发明采用低温线或直径较小普通金属漆包线作为温度计或加热器与集成PID控制的温度监视器之间电连接线，其漏热功率设计为5-10mW(25K至4K)，实现了太赫兹黑体加热后快速回温。
[0042]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.太赫兹变温黑体系统，其特征在于，包括:底座，所述底座上悬置固定有太赫兹黑体，太赫兹黑体连接温度检测控制装置。2.根据权利要求1所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述底座和太赫兹黑体之间相互热隔离。3.根据权利要求1或2所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述底座上安装有用于悬置固定太赫兹黑体的固定装置，所述固定装置包括固定线、固定轮、紧固件，所述固定轮和紧固件均固定安装在底座上，固定线连接太赫兹黑体，并使得太赫兹黑体与底座之间相互热隔离，固定轮连接固定线，紧固件连接固定线并锁紧固定线。4.根据权利要求3所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，温度检测控制装置包括温度监视器、用于加热太赫兹黑体的加热器、用于实时监视太赫兹黑体温度的温度计，温度监视器分别连接加热器、温度计。5.根据权利要求4所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述太赫兹黑体包括金属板，金属板至少有一单面涂覆有太赫兹吸波材料。6.根据权利要求5所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述固定线为凯夫拉固定线。7.根据权利要求6所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述温度监视器为集成PID控制的温度监视器。8.根据权利要求7所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述温度检测控制装置包括用于温度计与控制器之间、加热器与控制器之间电信号连接的电连接线。9.根据权利要求8所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述电连接线为低温线或直径较小普通金属漆包线，其漏热功率设计为5-10mW。10.根据权利要求1至9任一项所述的太赫兹变温黑体系统，其特征在于，所述太赫兹变温黑体系统应用于4K温区。
【文档编号】G01J5/52GK105890771SQ201610218741
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】缪巍, 史生才, 张文, 姚骑均, 钟家强
【申请人】中国科学院紫金山天文台