1

移动式亚毫米波望远镜介绍和未移动式亚毫米波望远镜介绍和未来在羊八井来在羊八井

可能的亚毫米波天文观测 可能的亚毫米波天文观测

黄树频，杨戟，史生才中国科学院 紫金山天文台

2

一一 .. 移动式亚毫米波望远镜介绍移动式亚毫米波望远镜介绍

POST: POrtable Submillimeter Telescope

POST 的主要科学目标

POST 的系统配置

3

POSTPOST 主要科学目标主要科学目标

完成一台可移动的亚毫米波射电望远镜对适合亚毫米波天文观测的台址进行科学测

量对银道面中性碳原子发射的整体分布进行巡

天新射电望远镜技术预研和技术积累

4

POSTPOST 系统配置—天线系统配置—天线

双反射面离轴 Cassegrain 式，优化至圆对称孔径

= 7 m ， D=30cm AZ/EL Mount 交流伺服电机 + 谐波齿轮

变速 CCD Camera 光学辅助指

向 测量指向精度 1’

5

POSTPOST 系统配置—常温接收机系统配置—常温接收机

Schottky Diode 混频器 Gunn 本振 + 倍频器

（ 82.3GHz 2 3 ） 准光学信号耦合 Trx < 2000 K 尺寸 =360mm * 280m

m * 500mm (W*H*D)

德国 RPG 公司加工

Mixer

Gunn Osc.

Harmonic Mixer

Multiplier

IF Output

Quasi-optical system

Phase Locked ModuleRef. Oscillator

6

POSTPOST 系统配置—数字频谱仪系统配置—数字频谱仪

S500S1024 自相关数字频谱仪

1024 个通道，分辨率约 1M

Hz 输入信号带宽 1~500MHz ，

功率 -10~0dBm 单个积分时间为 2ms-23s 美国 SPACEBORNE 公司生

产测试结果＠ 250MHz

7

新的便携式新的便携式 500GHz500GHz超导超导 SISSIS 接收机的研制接收机的研制

小型低耗电 4-K 制冷系统

500-GHz 超导 SIS 接收机前端

500-GHz 锁相本振系统

新中频系统

8

Diagram of the SIS Receiver

PLL RF Signal

460-520GHz Pout0.1mW

Back End

Plane Mirror

Wire Grid

LO

Quasi-Optics

500GHz SIS500GHz SIS 接收机系统框图接收机系统框图

9

小型低耗电小型低耗电 4-K4-K 制冷系统制冷系统4K stage

SHI’s SRDK-101D Cryocooler （ RDK-101/CNA-11 ）

cooling capacity: 0.1W @ 4.2K

power consum.: 1.2kW (220V)

vacuum: <1x10-6bar

temp. variation: 0.1K

压缩机

真空泵

10

500GHz SIS500GHz SIS 接收机前端接收机前端 -Mixer-Mixer

Horn: Diagonal W=2.06,R=-18.84 D=6.77,A=4.79,L=18.84 waveguide 0.55×0.19 backshort 0.03 chip slot 0.19×0.19 substrate 0.18×0.09

Ground

Waveguide

IF Output

PCTJ

超导 SIS 混频器外观

feed horn

11

500GHz SIS500GHz SIS 接收机前端接收机前端 -HEMT LNA-HEMT LNA

中频范围： 1.1~1.8GHz增益 ≧ 30 dB噪声温度 10 K

12

phase-locked Gunn oscillator + x6 multiplier by RPG

控制单元

锁相环路

振荡倍频链

SISSIS 接收机接收机锁相本振系统锁相本振系统 -1-1

13

振荡器输出功率测量 锁相系统中频谱

SISSIS 接收机接收机锁相本振系统锁相本振系统 -2-2

14

3-508MHz

后端中频系统

SISSIS 接收机接收机新中频系统新中频系统1.15-1.65GHz

Diagram of SIS Receiver Back-end

IF Signal(1.4¡ À0.3GHz)

Mixer

Digital Correlation Spectrometer

Detector

DCAmplifier

AmplifierG=45dB

+1.2V

Bandpass Filter(1.6-1.7GHz)

Amplifier(G=10dB)

Crystal Oscillator(1.65GHz)

Work Station

Lowpass Filter(1.0-500MHz)

Lowpass Filter(1.0-700MHz)

Bandpass Filter(1.15-1.65GHz)

Attenuator

15

500GHz500GHz 超导超导 SISSIS 接收机整体接收机整体

准光学系统示意图接收机系统外观

接收机内部结构

SIS

HEMT

16

500GHz500GHz 超导超导 SISSIS 接收机性能初测接收机性能初测

17

POSTPOST 控制系统介绍控制系统介绍 硬件

– 基于 SUN 工作站的 S-Bus 总线– 工业标准接口 (GPIB etc.)– 脉宽调制 (PWM) 控制器– 位置 - 速度 - 力矩闭环控制

软件– Unix 系统平台 (Solaris 1.3; BSD4.3)– 实时 , 多任务，前后台工作方式– 前台进程：命令解释程序 (CLIP) ，观测– 后台进程：跟踪 , 监控– 进程间通讯：共享内存 & 信号

18

二二 .. 未来在羊八井可能的未来在羊八井可能的亚毫米波天文观测亚毫米波天文观测

在青海德令哈进行的亚毫米波天文观测介绍– 大气不透明度测量– 太阳成图观测– 标准源谱线试观测

青海观测地点的局限性

19

亚毫米波天文研究对象和频段亚毫米波天文研究对象和频段

mm/submm (THz)

20

Nanjing

Delingha

紫台青海德令哈毫米波观测站紫台青海德令哈毫米波观测站

21

青海观测—大气不透明度测量青海观测—大气不透明度测量

观测条件：海拔 3200m, 室外，最低温度 -30C

观测方法： sky-dip

时间和数据量 : 两个观测季节 1999.11-2000.02 (8100 数据点 , 270 小时 )

2000.12-2001.03 (17600 数据点 , 600 小时 )

22

大气不透明度的一个典型数据大气不透明度的一个典型数据

23

天顶大气不透明度的归一化周日变化

24

天顶大气不透明度的统计百分比

25

青海观测—青海观测—太阳成图

26

青海观测—谱线试观测青海观测—谱线试观测60S

27

大气不透明度– 信号传输

相位稳定性– 干涉测量成图

环境因素– 风、冰雹、雷震雨、 地震等等

亚毫米波台址的主要要求亚毫米波台址的主要要求

28

德令哈观测地点的局限性

在德令哈可以进行 492GHz 亚毫米波天文观测，但适合观测的冬季时间非常有限，百分比 3%。

– 海拔的局限

– 地形的局限

29

不同台站大气不透明度比较不同台站大气不透明度比较

30

不透明度随海拔高度变化的趋势

羊八井

31

地形的影响地形的影响

)()273

(11.6 /)273(2.253.5 mbeT

RHP TTV

)(217 3 gmT

PVv

湿分压与相对湿度 RH、温度 T的关系：

水汽密度 (绝对湿度 )与湿分压之间的热力学关系：

32

RH=60%

40%

20%

33

Explanation:

Sunshineheating of surface layer water vapor dispersion upward by convection

reduction of water vapor content decrease of opacity

Sunset temperature dropwater vapor condensation increase of opacity

Valley Effect (河谷效应）

类似于“地形性夜雨”气候现象，为青藏高原河谷地带所常见

34

Comparison with Hawaii

Sunshineheating of surface layer water vapor convection upward to the summit increase of opacity at summit

Sunset temperature dropwater vapor descends downward decrease of opacity at summit

Submm site should be on the hill/convex surface.

35

中国西部年平均降雨量中国西部年平均降雨量

羊八井

36

海拔(m)

降雨量(mm)

大风天数

雷雨天数

冰雹天数

相对湿度

年平均温度 ( )℃

冷湖 2770 15.4 24.3 2.3 1 30% 2

茫崖 2945 16.9-20 ? ≈2.3 ≈1 30% ≈2

羊八井

4200 382.8 ? ≈72.4 ? 43% 2.5

拉萨 3658 453.9 26.7 72.4 5.9 ? 7.5

日喀则 3836 400 65.1 79.9 6.7 ≈ 40% ?

定日 4450 224.6 112.5 56.8 10 ≈ 40% 0.7

绒布寺 5400 ? ≈ 60-75 ≈ 30-40 ≈ 5-7 ? ?

一些可能的亚毫米波台址比较一些可能的亚毫米波台址比较

37

谢 谢 大 家！谢 谢 大 家！