[发明专利]基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统

说明书

技术领域

本发明公开了基于磁场调控的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，涉及天文学探 测器技术领域。

背景技术

太赫兹(THz)频段是现代天文学最后一个有待全面研究的电磁波频段，是继红外和毫米波 频段之后21世纪人类探测宇宙最新发展的、其它频段不可替代的观测窗口。太赫兹频段存在 丰富分子转动谱线和精细结构原子谱线，对这些分子和原子谱线进行高分辨率观测可以研究 天体物体的化学性质与运动学特征。太赫兹频段分子转动谱线和精细结构原子谱线高分辨率 观测对于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等具有非常重要的意义, 在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用。

由于宇宙天文信号通常非常微弱，天文分子和原子谱线高分辨率观测需要高灵敏度和高 稳定度相干探测器系统。目前灵敏度最高的相干探测器系统是超导相干探测器系统，其主要 核心部件为超导外差混频器。在太赫兹频段，主要应用超导外差混频器有基于低温超导体(如 Nb和NbN)的超导隧道结(SuperconductorInsulatorSuperconductor，简称SIS)混频器和超 导热电子(HotElectronBolometer，简称HEB)混频器，两者灵敏度均可达几倍(甚至接近) 量子极限，满足实际天文分子和原子谱线高分辨率观测需求。

在稳定性方面，超导隧道结相干探测器系统和超导热电子相干探测器系统均未展现出强 抗干扰特性，两者工作状态均易受外界因素(如空气扰动，温度波动和电磁干扰等)影响。另 外，超导外差混频器需要工作于液氦温区，由于液氦资源稀缺，超导外差混频器工作越来越 需要依赖4K闭循环制冷机，而4K闭循环制冷机的机械振动和温度波动进一步恶化了超导隧道 结相干探测器系统和超导热电子相干探测器系统工作稳定性。目前实测太赫兹超导隧道结相 干探测器探测器系统总功率AllanVariance时间约为几秒，太赫兹超导热电子相干探测器系 统总功率AllanVariance时间仅为1秒，均难以满足实际天文观测长时间积分需求。

为此，欧美等发达国家各研究小组正积极开展太赫兹超导相干探测器系统(尤其是太赫 兹超导热电子相干探测器系统)稳定性研究。太赫兹超导相干探测器系统核心部件为超导外 差混频器，其阻抗特性可通过本振参考信号、低频微波信号、外加磁场以及工作温度等进行 调控。如果超导外差混频器恒压偏置，其工作电流即可通过本振参考信号、低频微波信号、 外加磁场以及工作温度等改变。基于上述调控方法，欧美等发达国家各研究小组实现了高稳 定太赫兹超导热电子相干探测器系统，主要包括：(1)瑞典Chalmers理工大学实现了基于平 衡混频器的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。该太赫兹超导热电子相干探测器系统 利用平衡混频器有效抑制了本振参考信号波动，有效改善了太赫兹超导热电子相干探测器系 统工作稳定性，但其需要两个超导热电子混频器，并对两个超导热电子混频器一致性具有较 高要求。(2)美国哈佛史密松天体物理中心EdwardTong等实现了注入低频微波信号的高稳定 太赫兹超导热电子相干探测器系统。该太赫兹超导热电子相干探测器系统是利用超导热电子 混频器中频端微波环形器给超导热电子混频器注入低频微波信号，并依据超导热电子混频器 工作状态实时调控注入低频微波信号强度，进而稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。注 入低频微波信号方法虽然简单，但其在超导热电子混频器中频端引入了微波环形器，其会给 中频信号传输带来插损。(3)SRON/TUDelft研究小组实现了基于本振功率反馈法的高稳定太 赫兹超导热电子相干探测器系统。该太赫兹超导热电子相干探测器系统是利用音圈电机 (VoiceCoil)作为快速可调衰减器，通过实时调控本振参考信号稳定超导热电子相干探测器 系统。目前，该研究小组已将太赫兹超导热电子相干探测器系统总功率AllanVariance时间 有效提高至30秒(中频带宽为16MHz)，但其不足之处在于音圈电机不能工作于真空低温环境， 如果本振参考信号源被集成于真空杜瓦内，音圈电机将无法使用。综上所述，欧美等发达国 家各研究小组已通过采用各种不同方法实现了高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统，但 这些高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统均存在一些不足或应用限制。因此，亟需开发 一种结构简洁紧凑、灵敏度高且易于实际应用的高稳定太赫兹超导热电子相干探测器系统。

发明内容