太赫茲變溫黑體系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種太赫茲變溫黑體系統，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控制裝置。本發明實現了一種特別適用于4K溫區、結構簡單緊湊的太赫茲變溫黑體系統，其可非常容易地應用于超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度實驗表征。
【專利說明】
太赫ifi變溫黑體系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種變溫黑體系統，具體涉及一種太赫茲變溫黑體系統。本發明屬于儀器設計領域。
【背景技術】
[0002]太赫茲(THz)波段一般定義為0.1-1OTHz頻率區間，覆蓋短毫米波至亞毫米波(遠紅外)頻段。在天文學領域，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，特別適合觀測研究第一代恒星形成、星系形成和演化、恒星和行星系統形成和早期演化、地外行星系統大氣物理化學特性、以及宇宙生命起源等現代天文學中最重要前沿科學問題。為此，國際上已建設并提出了一系列地面與空間太赫茲天文計劃(如JCMT、SPICA、CCAT等)。在這些太赫茲天文計劃中，大規模陣列成像探測器都作為主觀測設備，用于太赫茲/遠紅外波段的大天區成像巡天，為行星、恒星、星系和宇宙學研究提供這一獨特波段的巡天傳世數據庫。另外，大規模陣列成像探測器配合二維光譜儀是宇宙星際介質性質診斷和宇宙學距離上天體紅移精確測定的獨特手段。大規模陣列成像探測器主要基于非相干探測器技術，太赫茲波段高靈敏度非相干探測器技術主要有超導相變邊緣探測器(TES)和超導動態電感探測器(KID)，兩者均屬于低溫超導探測器，工作在亞K溫區(如300mK或者更低溫區)。在300mK溫區，超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度均可達I X 10—Ww/Hd.5，滿足實際天文微弱信號觀測需求。
[0003]超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度實驗表征需要太赫茲變溫黑體系統作為定標源。由于超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度高且動態范圍相對較小(特別是超導相變邊緣探測器)，探測器靈敏度實驗表征所需太赫茲變溫黑體系統輻射溫度一般要求不超過25K。為了實現低輻射溫度太赫茲變溫黑體系統，需要對太赫茲黑體進行制冷冷卻，常用方法是將太赫茲黑體直接集成于探測器工作所在杜瓦低溫冷級(如4K冷級)。另一方面，探測器靈敏度實驗表征還要求太赫茲變溫黑體系統輻射溫度連續可變，因此需要對太赫茲黑體進行加熱控溫。為了減小太赫茲黑體加熱控溫過程對杜瓦4K冷級溫度影響，太赫茲黑體與杜瓦4K冷級之間要求具有良好熱隔離，現常用熱隔離方法是采用低熱導材料(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。然而，為了實現良好熱隔離，不銹鋼或玻璃鋼支柱結構設計一般非常復雜(為了有效增長熱傳導長度)，復雜結構要求探測器杜瓦具有足夠大空間集成太赫茲變溫黑體系統，其增加了探測器杜瓦系統設計難度，也有可能會影響整個探測器系統工作可靠性。因此，對于超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度實驗表征，亟需開發一種結構簡潔緊湊、易于4K溫區集成應用的太赫茲變溫黑體系統作為定標源。現有技術無法提供相關的技術支持。
【發明內容】
[0004]為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種太赫茲變溫黑體系統，以解決現有技術結構復雜、可靠性不高，不適用于4K溫區集成應用的技術問題。
[0005]為了實現上述目標，本發明采用如下的技術方案:
[0006]太赫茲變溫黑體系統，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控制裝置。
[0007]前述的太赫茲變溫黑體系統，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，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、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，緊固件連接固定線并鎖緊固定線。
[0009]前述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，溫度檢測控制裝置包括溫度監視器、用于加熱太赫茲黑體的加熱器、用于實時監視太赫茲黑體溫度的溫度計，溫度監視器分別連接加熱器、溫度計。
[0010]前述的太赫茲變溫黑體系統，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，其特征在于，所述固定線為凱夫拉固定線。
[0012]前述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述溫度監視器為集成PID控制的溫度監視器。
[0013]前述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述溫度檢測控制裝置包括用于溫度計與控制器之間、加熱器與控制器之間電信號連接的電連接線。
[0014]前述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述電連接線為低溫線或直徑較小普通金屬漆包線，其漏熱功率設計為5-10mW。
[0015]前述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述太赫茲變溫黑體系統應用于4K溫區。
[0016]本發明的有益之處在于:本發明實現了一種特別適用于4K溫區、結構簡單緊湊的太赫茲變溫黑體系統，其可非常容易地應用于超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度實驗表征。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明太赫茲變溫黑體系統的一個優選實施的主視圖；
[0018]圖2是本發明太赫茲變溫黑體系統的一個優選實施的側視圖。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
[0020]參照圖1和圖2所示，本發明提供太赫茲變溫黑體系統。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。溫度檢測控制裝置加熱太赫茲，并實時檢測監控太赫茲黑體的實時溫度。本發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構，以及溫度檢測控制裝置的具體構造。也不限制太赫茲變溫黑體系統適用溫區范圍，但是作為最優選擇，本發明適用在4K溫區(如低溫杜瓦4K冷級上)集成應用，同時，本實施例提供如下一種結構簡潔緊湊的具體裝置。
[0021]本實施例的技術方案是提供一種應用于4K溫區的太赫茲變溫黑體系統，其設計要點包括:
[0022]太赫茲黑體，用于產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，實現太赫茲黑體與杜瓦4K冷級之間匹配固定；
[0024]固定線，用于懸置太赫茲黑體，實現太赫茲黑體與底座之間良好熱隔離；
[0025]固定輪，連接固定線，與固定線一起用于懸置太赫茲黑體；
[0026]緊固件，連接固定線，用于鎖緊固定線，進而懸置固定太赫茲黑體;太赫茲黑體是通過凱夫拉固定線、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；
[0027]溫度計，用于實時監視太赫茲黑體溫度；
[0028]加熱器，用于加熱太赫茲黑體；
[0029]溫度監視器，讀取溫度計溫度并同時為加熱器提供直流偏置，用于太赫茲黑體溫度實時監控；
[0030]電連接線，用于溫度計與控制器之間以及加熱器與控制器之間電信號連接。
[0031]在該太赫茲變溫黑體系統中，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。太赫茲黑體可產生太赫茲波段電磁波輻射。當然，也可以在金屬板雙面涂覆太赫茲吸波材料。與常規角錐陣列型太赫茲黑體(在金屬表面機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，電磁波可在腔體內多次反射，其腔體內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冷級上集成應用。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，其直接固定于4K冷級)，本發明利用凱夫拉(Kevlar)固定線懸置太赫茲黑體。凱夫拉線低溫熱導系數低，4K溫區凱夫拉線熱導系數可低達10—7W/cm.K，比尼龍線熱導系數還小幾百倍，有效隔離了太赫茲黑體與底座之間熱傳導，同時凱夫拉線還具有其他優點，如機械強度高、耐曲折、膨脹系數小等，有效提高了系統機械強度與穩定性。在本發明中，太赫茲黑體金屬板側面開通孔，凱夫拉固定線穿過金屬板側面通孔后，通過固定輪和緊固件實現太赫茲黑體懸置固定，最后太赫茲黑體金屬板側面通孔內涂覆STYCAST。太赫茲黑體金屬板背面固定溫度計和加熱器，，用于實時監視太赫茲黑體溫度和改變太赫茲黑體溫度。為了精確監控太赫茲黑體溫度，通過集成PID(Proport1nal Integral Derivative)控制的溫度監視器精確監控太赫茲黑體溫度。集成PID控制的溫度監視器與溫度計和加熱器通過電連接線連接。為了實現太赫茲黑體加熱后快速回溫，溫度計或加熱器與溫度監視器之間電連接線建議采用低溫線或直徑較小普通金屬漆包線，漏熱功率設計為5-10mW(25K至5K)，其可實現太赫茲黑體加熱后快速回溫。本發明所涉及太赫茲變溫黑體系統機械強度高，結構簡潔緊湊，易于在超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器工作杜瓦4K冷級上集成應用。
[0032]作為進一步地改進，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)。固定線為凱夫拉固定線。進一步地，溫度監視器為集成PID控制的溫度監視器。進一步地，電連接線為低溫線或直徑較小普通金屬漆包線，其漏熱功率設計為5-1011^(251(至410。
[0033]總結來說，本發明實現了一種應用于4K溫區的太赫茲變溫黑體系統。本發明采用凱夫拉固定線懸置太赫茲黑體，并通過固定輪和緊固件實現太赫茲黑體高強度固定。在本發明中，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，結構簡單緊湊，易于在杜瓦4K冷級上集成應用。另外，本發明采用集成PID控制的溫度監視器實時監控太赫茲黑體溫度，可實現太赫茲黑體溫度精確控制
[0034]本發明采用凱夫拉固定線懸置平面型太赫茲黑體。凱夫拉固定線熱導系數低，可有效熱隔離太赫茲黑體與底座。另外，凱夫拉固定線機械強度高、耐曲折、膨脹系數小，其有效提高了系統機械強度以及工作可靠性。
[0035]相比于常規應用于4K溫區的太赫茲變溫黑體系統(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)，本發明的應用于4K溫區的太赫茲變溫黑體系統具有如下技術進步性:
[0036]I)本發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)本發明采用熱導系數低且機械強度高凱夫拉固定線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，并增強了系統機械強度和工作穩定性。
[0038]3)本發明采用集成PID控制的溫度監視器實時監視太赫茲黑體溫度，并同時為加熱器提供直流偏置，并為加熱器提供加熱信號，采用集成PID控制的溫度監視器可實現太赫茲黑體溫度精確監控。
[0039]4)本發明采用低溫線或者直徑較小普通金屬漆包線(設計從25K至4K漏熱為5-1OmW)作為電連接線連接溫度監視器和溫度計或者加熱器，可實現太赫茲黑體加熱后快速回溫。
[0040]整體上，本發明實現了一種應用于4K溫區、結構簡單緊湊的太赫茲變溫黑體系統，其可非常容易地應用于超導相變邊緣探測器和超導動態電感探測器靈敏度實驗表征。
[0041]本發明采用低溫線或直徑較小普通金屬漆包線作為溫度計或加熱器與集成PID控制的溫度監視器之間電連接線，其漏熱功率設計為5-10mW(25K至4K)，實現了太赫茲黑體加熱后快速回溫。
[0042]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.太赫茲變溫黑體系統，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控制裝置。2.根據權利要求1所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述底座和太赫茲黑體之間相互熱隔離。3.根據權利要求1或2所述的太赫茲變溫黑體系統，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、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，緊固件連接固定線并鎖緊固定線。4.根據權利要求3所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，溫度檢測控制裝置包括溫度監視器、用于加熱太赫茲黑體的加熱器、用于實時監視太赫茲黑體溫度的溫度計，溫度監視器分別連接加熱器、溫度計。5.根據權利要求4所述的太赫茲變溫黑體系統，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.根據權利要求5所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述固定線為凱夫拉固定線。7.根據權利要求6所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述溫度監視器為集成PID控制的溫度監視器。8.根據權利要求7所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述溫度檢測控制裝置包括用于溫度計與控制器之間、加熱器與控制器之間電信號連接的電連接線。9.根據權利要求8所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述電連接線為低溫線或直徑較小普通金屬漆包線，其漏熱功率設計為5-10mW。10.根據權利要求1至9任一項所述的太赫茲變溫黑體系統，其特征在于，所述太赫茲變溫黑體系統應用于4K溫區。
【文檔編號】G01J5/52GK105890771SQ201610218741
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】繆巍, 史生才, 張文, 姚騎均, 鐘家強
【申請人】中國科學院紫金山天文臺