張坤 姚騎均 劉冬 姚明 李婧 張文 劉彥杰 全加 史生才

(1 中國科學(xué)院紫金山天文臺 南京 210023)

(2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院 合肥 230026)

(3 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

1 引言

太赫茲波段介于微波和紅外波段之間,是開展宇宙學(xué)、天體物理、化學(xué)以及生物學(xué)觀測研究的獨(dú)特電磁譜段[1-2].地球大氣對太赫茲信號的吸收限制了地基太赫茲波段望遠(yuǎn)鏡的可觀測頻段和效率[3-4],而空間太赫茲波段望遠(yuǎn)鏡能夠擺脫地球大氣影響,已取得太赫茲天文的重大科學(xué)成果[5-8].正在研制的中國空間站巡天望遠(yuǎn)鏡太赫茲探測載荷將為我國太赫茲天文觀測提供地面難以實(shí)現(xiàn)的良好機(jī)遇.

高靈敏度太赫茲探測模塊(High Sensitivity Terahertz Detection Module,HSTDM,簡稱太赫茲模塊)是巡天望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)載荷之一.太赫茲模塊將主要開展銀河系分子云的形成和演化觀測、臨近星系碳巡視以及太赫茲譜線巡天觀測等任務(wù).太赫茲模塊以氮化鈮超導(dǎo)隧道結(jié)(Superconductor-Insulator-Superconductor,SIS)混頻器為核心探測器,使用兩像元探測器開展觀測,原理框圖如圖1所示.太赫茲模塊包括7大組件,分別是準(zhǔn)光及定標(biāo)組件、超導(dǎo)接收機(jī)組件、本振(Local Oscillator,LO)信號源組件、制冷機(jī)組件、結(jié)構(gòu)熱控組件、頻譜處理組件和綜合電控組件.

圖1 太赫茲模塊原理框圖Fig.1 The functional block diagram of the HSTDM

太赫茲模塊的核心部件-氮化鈮SIS混頻器安裝在低溫杜瓦內(nèi)部,由制冷機(jī)制冷到≤10 K的工作溫度,低溫放大器工作在同樣溫度下.低溫杜瓦為氮化鈮SIS混頻器和低溫放大器提供工作所需的光機(jī)電熱接口.低溫杜瓦的設(shè)計受太赫茲模塊包絡(luò)重量以及制冷機(jī)制冷量的限制,難點(diǎn)在于杜瓦結(jié)構(gòu)既要適應(yīng)發(fā)射時的力學(xué)振動環(huán)境,同時要最大限度減小制冷機(jī)的熱負(fù)載.低溫杜瓦的設(shè)計要求見表1.本文將介紹低溫杜瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)特性仿真分析與實(shí)測結(jié)果以及熱特性仿真分析結(jié)果.

表1 低溫杜瓦的設(shè)計要求Table 1 Specifications of the cryostat

2 杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計

低溫杜瓦為氮化鈮SIS混頻器提供工作所需的光機(jī)電熱接口,其結(jié)構(gòu)及外圍部件模型如圖2所示.將折轉(zhuǎn)鏡、步進(jìn)電機(jī)、定標(biāo)黑體和本振倍頻鏈安裝在杜瓦外部,實(shí)現(xiàn)了太赫茲模塊后光路的緊湊設(shè)計.低溫杜瓦與制冷機(jī)冷指集成,為冷指降溫提供必須的真空環(huán)境,使制冷機(jī)能夠?qū)⒌塖IS混頻器制冷到≤10 K的工作溫度.杜瓦外部結(jié)構(gòu)由冷指連接器、杜瓦底板、杜瓦主體和杜瓦頂蓋組成,包絡(luò)尺寸為246 mm×239 mm×201 mm.冷指連接器用于連接制冷機(jī)冷指與杜瓦底板; 杜瓦底板用于安裝電連接器(直流(DC)連接器和射頻SMA連接器)并為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供支撐接口; 杜瓦主體上布置觀測信號窗口和本振信號窗口,為折轉(zhuǎn)鏡、步進(jìn)電機(jī)、定標(biāo)黑體和本振倍頻鏈提供安裝接口; 杜瓦頂蓋用于密封杜瓦,使得杜瓦加工和維護(hù)操作方便簡單.杜瓦外殼材料選用鎂鋁合金MB15,進(jìn)行帶加強(qiáng)筋的減重設(shè)計,既減輕了重量同時還保持了整體的機(jī)械強(qiáng)度.杜瓦通過TC4鈦合金隔熱墊與模塊主框架固定連接.

圖2 杜瓦結(jié)構(gòu)及外圍部件模型Fig.2 Model of cryostat and peripheral units

杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括80 K冷屏、10 K溫區(qū)結(jié)構(gòu)以及不同溫區(qū)之間的支撐結(jié)構(gòu).80 K冷屏在杜瓦內(nèi)部的安裝如圖3所示,在80 K框架的觀測信號窗口和本振信號窗口安裝太赫茲低通濾波器,減小1 THz以上信號對10 K溫區(qū)的輻射漏熱.80 K冷屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示.氮化鈮SIS混頻器和低溫放大器安裝在10 K冷板上,碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)支撐板將10 K結(jié)構(gòu)與80 K框架連接,實(shí)現(xiàn)定位和隔熱的作用[9].太赫茲模塊在軌運(yùn)行過程中不受重力影響,但在地面測試過程中,脈沖管制冷機(jī)冷指需垂直指向地面.碳纖維支撐板在重力作用下會產(chǎn)生較大的形變,為了抵消重力對碳纖維支撐板變形的影響,設(shè)計使用3根直徑為1 mm的碳纖維桿將10 K冷板與80 K框架連接,實(shí)現(xiàn)重力卸載,確保混頻器喇叭與窗口之間相對位置變化在允許誤差范圍內(nèi).

圖3 80 K冷屏結(jié)構(gòu)及安裝圖Fig.3 80 K shield and installation diagram

圖4 80 K冷屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖Fig.4 Internal structure model of 80 K shield

10 K溫區(qū)結(jié)構(gòu)由特氟龍(Teflon)支撐塊進(jìn)行鎖緊支撐以適應(yīng)發(fā)射過程時的力學(xué)振動環(huán)境[10].特氟龍具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,并且在80 K溫度時的收縮率約為1.93%[11],使用3對特氟龍支撐塊分別將10 K結(jié)構(gòu)的X、Y、Z這3個方向鎖緊,其中X方向是火箭發(fā)射方向、Y方向是沿本振信號方向、Z方向是沿制冷機(jī)冷指方向.10 K結(jié)構(gòu)發(fā)射鎖緊支撐如圖5(左)所示,確保在發(fā)射過程中混頻器位置不發(fā)生變化.降溫后特氟龍支撐塊收縮與10 K結(jié)構(gòu)脫離從而隔絕對10 K結(jié)構(gòu)的漏熱.直流線纜在80 K框架上熱沉固定后連接到10 K溫區(qū)結(jié)構(gòu).中頻線纜直接從低溫放大器連接至杜瓦底板,并在80 K冷級和35 K冷級位置依次做熱沉固定以減小對10 K溫區(qū)結(jié)構(gòu)的漏熱,中頻線纜布局及固定如圖5(右)所示.

圖5 10 K結(jié)構(gòu)發(fā)射鎖緊支撐(左圖)及中頻(IF)線纜的安裝固定(右圖)示意圖Fig.5 Diagram of the launch lock of 10 K structure (left panel),and the installation and fixation of IF cables (right panel)

3 杜瓦力學(xué)特性仿真分析與測試

3.1 杜瓦力學(xué)特性仿真分析

低溫杜瓦與制冷機(jī)冷指集成安裝,作為一個整體進(jìn)行力學(xué)分析,使用ANSYS軟件建立整機(jī)的有限元模型.在仿真邊界條件設(shè)置上,為了保證仿真狀態(tài)與實(shí)際試驗(yàn)一致,杜瓦采用固定約束條件,設(shè)置杜瓦安裝腳為“Fixed Support”; 杜瓦內(nèi)部焊接結(jié)構(gòu)及螺接結(jié)構(gòu)均采用“Bonded”的接觸方式.為了分析在地面測試時由于大氣壓力導(dǎo)致杜瓦外框的形變以及由于重力導(dǎo)致碳纖維支撐板的形變,對杜瓦的靜態(tài)力學(xué)特性開展研究.圖6為杜瓦靜態(tài)力學(xué)仿真結(jié)果,由圖可知杜瓦抽真空后本振信號窗口位置的形變量約為28μm,重力導(dǎo)致混頻器基座的形變量約為41μm,形變量均≤0.1 mm,對入射太赫茲信號到混頻器喇叭耦合效率的影響可以忽略不計.

圖6 杜瓦結(jié)構(gòu)靜態(tài)力學(xué)分析,抽真空時大氣壓力導(dǎo)致的形變(上圖),重力導(dǎo)致的碳纖維支撐結(jié)構(gòu)形變(下圖).Fig.6 Static structural analysis of cryostat,deformation caused by atmospheric pressure during vacuuming (top panel),deformation of the CFRP support caused by gravity(bottom panel).

為了掌握杜瓦和制冷機(jī)冷指結(jié)構(gòu)的基本動力學(xué)特性,對其進(jìn)行模態(tài)分析.分析結(jié)果表明杜瓦結(jié)構(gòu)(含冷指)的一階基頻為189.36 Hz,滿足不小于100 Hz的要求.整機(jī)結(jié)構(gòu)在正弦振動條件下無共振點(diǎn),不會引起力學(xué)放大,因此正弦振動對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小.火箭發(fā)射時的隨機(jī)振動對杜瓦結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響更大,為了研究杜瓦結(jié)構(gòu)對隨機(jī)振動的響應(yīng),按照表2中給出的鑒定級隨機(jī)振動試驗(yàn)條件進(jìn)行模擬仿真,其中Grms代表加速度的總均方根值.

表2 杜瓦和冷指隨機(jī)振動試驗(yàn)條件Table 2 Random vibration level for cryostat andcold finger

從模擬結(jié)果可知,在X方向(發(fā)射方向)上振動時,杜瓦內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最大.提取鈦合金支撐桿、特氟龍支撐塊以及碳纖維支撐板的應(yīng)力,結(jié)果如圖7所示.鈦合金支撐桿的最大應(yīng)力為690.17 MPa,小于TC4鈦合金的屈服應(yīng)力; 特氟龍支撐塊的最大應(yīng)力為11.75 MPa,小于特氟龍的屈服應(yīng)力; 碳纖維支撐板的最大應(yīng)力為160.81 MPa,小于碳纖維的屈服應(yīng)力.鑒定級隨機(jī)振動模擬結(jié)果表明杜瓦結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)發(fā)射時力學(xué)振動環(huán)境.

圖7 X方向隨機(jī)振動的應(yīng)力云圖.鈦合金支撐桿的應(yīng)力云圖(左上圖),特氟龍支撐塊的應(yīng)力云圖(右上圖),碳纖維支撐板的應(yīng)力云圖(下圖).Fig.7 Stress diagram of random vibration in X direction.Stress diagram of TC4 support (top left),stress diagram of Teflon support (top right),stress diagram of CFRP support (bottom panel).

3.2 杜瓦力學(xué)試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證杜瓦結(jié)構(gòu)對力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性,研制了杜瓦的結(jié)構(gòu)件,與制冷機(jī)冷指集成后按照鑒定級力學(xué)振動條件開展了試驗(yàn)測試,并監(jiān)測X方向振動時杜瓦頂部位置的力學(xué)響應(yīng)曲線,如圖8所示.振動試驗(yàn)后杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生損壞和位置變化,制冷機(jī)冷指未發(fā)生氣體泄漏.在100-200 Hz范圍內(nèi),實(shí)測曲線與仿真結(jié)果接近,高頻處實(shí)測結(jié)果較仿真結(jié)果有放大,主要原因?yàn)槎磐哐b配連接處與仿真的“Bonded”有差異導(dǎo)致的.試驗(yàn)測試結(jié)果表明杜瓦結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)發(fā)射的力學(xué)振動環(huán)境.

圖8 杜瓦力學(xué)試驗(yàn)測試圖(上圖)和X方向響應(yīng)曲線(下圖)Fig.8 Mechanical test site of cryostat (top panel) and response curve in X direction (bottom panel)

4 杜瓦熱特性仿真分析

杜瓦不同溫區(qū)結(jié)構(gòu)之間的支撐與連接均進(jìn)行隔熱設(shè)計,降低制冷機(jī)兩級冷端的熱負(fù)載,從而獲得更低的制冷溫度.漏熱分為輻射漏熱和傳導(dǎo)漏熱.為減小杜瓦內(nèi)壁對80 K溫區(qū)的輻射漏熱,杜瓦內(nèi)壁和80 K冷屏表面鍍金,在80 K冷屏、冷指氣庫、鈦合金支撐桿外部包覆多層隔熱膜[12-13]; 為減小80 K冷屏對10 K溫區(qū)結(jié)構(gòu)的輻射漏熱,10 K溫區(qū)結(jié)構(gòu)全部鍍金(碳纖維支撐板除外),并使用多層隔熱膜對10 K結(jié)構(gòu)盡可能包覆; 為減小信號窗口對10 K結(jié)構(gòu)的熱輻射,在80 K框架上安裝太赫茲低通濾波器,濾波器平均溫度約為150 K.

傳導(dǎo)漏熱包括支撐結(jié)構(gòu)漏熱和線纜漏熱.杜瓦外框?qū)?0 K冷屏的傳導(dǎo)漏熱包括3根鈦合金薄壁支撐桿的漏熱和偏置線纜、溫度傳感器線纜及中頻線纜的漏熱.對10 K結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)漏熱包括: (1)碳纖維支撐板從80 K框架傳導(dǎo)的漏熱; (2)重力卸載用的碳纖維桿從80 K框架傳導(dǎo)的漏熱; (3)偏置線纜和溫度傳感器線纜從80 K框架傳導(dǎo)的漏熱; (4)中頻線纜從35 K熱沉傳導(dǎo)的漏熱.偏置線纜和溫度傳感器線纜采用鈹銅材料線纜減小漏熱,中頻線纜選用直徑為1.2 mm的鎳銅同軸線纜減小漏熱.根據(jù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)[14-18],在杜瓦外部環(huán)境溫度為30°C,混頻器工作溫度為8 K時,仿真計算傳導(dǎo)漏熱.表3為杜瓦內(nèi)部輻射漏熱和傳導(dǎo)漏熱分析結(jié)果.

表3 杜瓦內(nèi)部輻射漏熱和傳導(dǎo)漏熱分析Table 3 Analysis of radiation and conduction heat leakage in cryostat

根據(jù)漏熱分析結(jié)果統(tǒng)計,杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)對制冷機(jī)一級冷端的漏熱量為1800 mW,對二級冷端的漏熱量為20.6 mW,將各個部分的漏熱量加載到杜瓦模型內(nèi)進(jìn)行熱仿真,熱分布云圖如圖9所示.表明杜瓦內(nèi)部不同溫區(qū)的支撐結(jié)構(gòu)能夠滿足隔熱要求.

圖9 杜瓦內(nèi)部熱仿真云圖.80-300 K結(jié)構(gòu)的熱仿真(上圖),8-80 K結(jié)構(gòu)的熱仿真(下圖).Fig.9 Thermal simulation of cryostat.Thermal simulation of 80-300 K structure (top panel),thermal simulation of 8-80 K structure (bottom panel).

制冷機(jī)冷端與支撐結(jié)構(gòu)之間采用銅導(dǎo)熱帶連接進(jìn)行熱量傳遞,二者之間存在一定溫差,從而增加對冷端制冷量的需求.太赫茲模塊所使用的制冷機(jī)為中科院理化技術(shù)研究所研制的兩級熱耦合型脈沖管制冷機(jī).根據(jù)制冷機(jī)工程樣機(jī)的性能測試結(jié)果可知,一級冷端最低溫度60.1 K,在80 K溫度的制冷量約為5 W (180 W交流功率輸入); 二級冷端最低溫度5 K,在8 K溫度的制冷量約為36 mW(180 W交流功率輸入); 中間35 K冷級的制冷量約為50 mW.低溫杜瓦的熱分析結(jié)果表明杜瓦內(nèi)部各級溫區(qū)結(jié)構(gòu)的總漏熱量小于制冷機(jī)的制冷量,能確保氮化鈮超導(dǎo)SIS混頻器工作溫度低于10 K.

5 結(jié)論

本文針對高靈敏度太赫茲探測模塊低溫杜瓦的功能需求和應(yīng)用特點(diǎn),開展了杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)行了力熱特性研究.針對低溫杜瓦的力學(xué)仿真分析與實(shí)測結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)發(fā)射過程中的力學(xué)振動環(huán)境; 熱仿真分析結(jié)果表明杜瓦內(nèi)各級溫區(qū)結(jié)構(gòu)的總漏熱量小于制冷機(jī)的總制冷量,能確保氮化鈮超導(dǎo)SIS混頻器工作溫度低于10 K.本文研究結(jié)果對于太赫茲探測模塊的后續(xù)研制有指導(dǎo)意義.

致謝感謝審稿人對文章提出的寶貴建議.感謝紫金山天文臺毫米波和亞毫米波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以及中科院理化所空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)條件.