张坤 姚骑均 刘冬 姚明 李婧 张文 刘彦杰 全加 史生才
(1 中国科学院紫金山天文台 南京 210023)
(2 中国科学技术大学天文与空间科学学院 合肥 230026)
(3 中国科学院理化技术研究所 北京 100190)
太赫兹波段介于微波和红外波段之间,是开展宇宙学、天体物理、化学以及生物学观测研究的独特电磁谱段[1-2].地球大气对太赫兹信号的吸收限制了地基太赫兹波段望远镜的可观测频段和效率[3-4],而空间太赫兹波段望远镜能够摆脱地球大气影响,已取得太赫兹天文的重大科学成果[5-8].正在研制的中国空间站巡天望远镜太赫兹探测载荷将为我国太赫兹天文观测提供地面难以实现的良好机遇.
高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module,HSTDM,简称太赫兹模块)是巡天望远镜的科学载荷之一.太赫兹模块将主要开展银河系分子云的形成和演化观测、临近星系碳巡视以及太赫兹谱线巡天观测等任务.太赫兹模块以氮化铌超导隧道结(Superconductor-Insulator-Superconductor,SIS)混频器为核心探测器,使用两像元探测器开展观测,原理框图如图1所示.太赫兹模块包括7大组件,分别是准光及定标组件、超导接收机组件、本振(Local Oscillator,LO)信号源组件、制冷机组件、结构热控组件、频谱处理组件和综合电控组件.
图1 太赫兹模块原理框图Fig.1 The functional block diagram of the HSTDM
太赫兹模块的核心部件-氮化铌SIS混频器安装在低温杜瓦内部,由制冷机制冷到≤10 K的工作温度,低温放大器工作在同样温度下.低温杜瓦为氮化铌SIS混频器和低温放大器提供工作所需的光机电热接口.低温杜瓦的设计受太赫兹模块包络重量以及制冷机制冷量的限制,难点在于杜瓦结构既要适应发射时的力学振动环境,同时要最大限度减小制冷机的热负载.低温杜瓦的设计要求见表1.本文将介绍低温杜瓦的结构设计、力学特性仿真分析与实测结果以及热特性仿真分析结果.
表1 低温杜瓦的设计要求Table 1 Specifications of the cryostat
低温杜瓦为氮化铌SIS混频器提供工作所需的光机电热接口,其结构及外围部件模型如图2所示.将折转镜、步进电机、定标黑体和本振倍频链安装在杜瓦外部,实现了太赫兹模块后光路的紧凑设计.低温杜瓦与制冷机冷指集成,为冷指降温提供必须的真空环境,使制冷机能够将氮化铌SIS混频器制冷到≤10 K的工作温度.杜瓦外部结构由冷指连接器、杜瓦底板、杜瓦主体和杜瓦顶盖组成,包络尺寸为246 mm×239 mm×201 mm.冷指连接器用于连接制冷机冷指与杜瓦底板; 杜瓦底板用于安装电连接器(直流(DC)连接器和射频SMA连接器)并为内部结构提供支撑接口; 杜瓦主体上布置观测信号窗口和本振信号窗口,为折转镜、步进电机、定标黑体和本振倍频链提供安装接口; 杜瓦顶盖用于密封杜瓦,使得杜瓦加工和维护操作方便简单.杜瓦外壳材料选用镁铝合金MB15,进行带加强筋的减重设计,既减轻了重量同时还保持了整体的机械强度.杜瓦通过TC4钛合金隔热垫与模块主框架固定连接.
图2 杜瓦结构及外围部件模型Fig.2 Model of cryostat and peripheral units
杜瓦内部结构包括80 K冷屏、10 K温区结构以及不同温区之间的支撑结构.80 K冷屏在杜瓦内部的安装如图3所示,在80 K框架的观测信号窗口和本振信号窗口安装太赫兹低通滤波器,减小1 THz以上信号对10 K温区的辐射漏热.80 K冷屏内部结构如图4所示.氮化铌SIS混频器和低温放大器安装在10 K冷板上,碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)支撑板将10 K结构与80 K框架连接,实现定位和隔热的作用[9].太赫兹模块在轨运行过程中不受重力影响,但在地面测试过程中,脉冲管制冷机冷指需垂直指向地面.碳纤维支撑板在重力作用下会产生较大的形变,为了抵消重力对碳纤维支撑板变形的影响,设计使用3根直径为1 mm的碳纤维杆将10 K冷板与80 K框架连接,实现重力卸载,确保混频器喇叭与窗口之间相对位置变化在允许误差范围内.
图3 80 K冷屏结构及安装图Fig.3 80 K shield and installation diagram
图4 80 K冷屏内部结构模型图Fig.4 Internal structure model of 80 K shield
10 K温区结构由特氟龙(Teflon)支撑块进行锁紧支撑以适应发射过程时的力学振动环境[10].特氟龙具有一定的机械强度,并且在80 K温度时的收缩率约为1.93%[11],使用3对特氟龙支撑块分别将10 K结构的X、Y、Z这3个方向锁紧,其中X方向是火箭发射方向、Y方向是沿本振信号方向、Z方向是沿制冷机冷指方向.10 K结构发射锁紧支撑如图5(左)所示,确保在发射过程中混频器位置不发生变化.降温后特氟龙支撑块收缩与10 K结构脱离从而隔绝对10 K结构的漏热.直流线缆在80 K框架上热沉固定后连接到10 K温区结构.中频线缆直接从低温放大器连接至杜瓦底板,并在80 K冷级和35 K冷级位置依次做热沉固定以减小对10 K温区结构的漏热,中频线缆布局及固定如图5(右)所示.
图5 10 K结构发射锁紧支撑(左图)及中频(IF)线缆的安装固定(右图)示意图Fig.5 Diagram of the launch lock of 10 K structure (left panel),and the installation and fixation of IF cables (right panel)
3.1 杜瓦力学特性仿真分析
低温杜瓦与制冷机冷指集成安装,作为一个整体进行力学分析,使用ANSYS软件建立整机的有限元模型.在仿真边界条件设置上,为了保证仿真状态与实际试验一致,杜瓦采用固定约束条件,设置杜瓦安装脚为“Fixed Support”; 杜瓦内部焊接结构及螺接结构均采用“Bonded”的接触方式.为了分析在地面测试时由于大气压力导致杜瓦外框的形变以及由于重力导致碳纤维支撑板的形变,对杜瓦的静态力学特性开展研究.图6为杜瓦静态力学仿真结果,由图可知杜瓦抽真空后本振信号窗口位置的形变量约为28µm,重力导致混频器基座的形变量约为41µm,形变量均≤0.1 mm,对入射太赫兹信号到混频器喇叭耦合效率的影响可以忽略不计.
图6 杜瓦结构静态力学分析,抽真空时大气压力导致的形变(上图),重力导致的碳纤维支撑结构形变(下图).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).
为了掌握杜瓦和制冷机冷指结构的基本动力学特性,对其进行模态分析.分析结果表明杜瓦结构(含冷指)的一阶基频为189.36 Hz,满足不小于100 Hz的要求.整机结构在正弦振动条件下无共振点,不会引起力学放大,因此正弦振动对结构强度影响较小.火箭发射时的随机振动对杜瓦结构应力的影响更大,为了研究杜瓦结构对随机振动的响应,按照表2中给出的鉴定级随机振动试验条件进行模拟仿真,其中Grms代表加速度的总均方根值.
表2 杜瓦和冷指随机振动试验条件Table 2 Random vibration level for cryostat andcold finger
从模拟结果可知,在X方向(发射方向)上振动时,杜瓦内部支撑结构产生的应力最大.提取钛合金支撑杆、特氟龙支撑块以及碳纤维支撑板的应力,结果如图7所示.钛合金支撑杆的最大应力为690.17 MPa,小于TC4钛合金的屈服应力; 特氟龙支撑块的最大应力为11.75 MPa,小于特氟龙的屈服应力; 碳纤维支撑板的最大应力为160.81 MPa,小于碳纤维的屈服应力.鉴定级随机振动模拟结果表明杜瓦结构能够适应发射时力学振动环境.
图7 X方向随机振动的应力云图.钛合金支撑杆的应力云图(左上图),特氟龙支撑块的应力云图(右上图),碳纤维支撑板的应力云图(下图).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 杜瓦力学试验测试
为了验证杜瓦结构对力学环境的适应性,研制了杜瓦的结构件,与制冷机冷指集成后按照鉴定级力学振动条件开展了试验测试,并监测X方向振动时杜瓦顶部位置的力学响应曲线,如图8所示.振动试验后杜瓦内部结构未发生损坏和位置变化,制冷机冷指未发生气体泄漏.在100-200 Hz范围内,实测曲线与仿真结果接近,高频处实测结果较仿真结果有放大,主要原因为杜瓦装配连接处与仿真的“Bonded”有差异导致的.试验测试结果表明杜瓦结构能够适应发射的力学振动环境.
图8 杜瓦力学试验测试图(上图)和X方向响应曲线(下图)Fig.8 Mechanical test site of cryostat (top panel) and response curve in X direction (bottom panel)
杜瓦不同温区结构之间的支撑与连接均进行隔热设计,降低制冷机两级冷端的热负载,从而获得更低的制冷温度.漏热分为辐射漏热和传导漏热.为减小杜瓦内壁对80 K温区的辐射漏热,杜瓦内壁和80 K冷屏表面镀金,在80 K冷屏、冷指气库、钛合金支撑杆外部包覆多层隔热膜[12-13]; 为减小80 K冷屏对10 K温区结构的辐射漏热,10 K温区结构全部镀金(碳纤维支撑板除外),并使用多层隔热膜对10 K结构尽可能包覆; 为减小信号窗口对10 K结构的热辐射,在80 K框架上安装太赫兹低通滤波器,滤波器平均温度约为150 K.
传导漏热包括支撑结构漏热和线缆漏热.杜瓦外框对80 K冷屏的传导漏热包括3根钛合金薄壁支撑杆的漏热和偏置线缆、温度传感器线缆及中频线缆的漏热.对10 K结构的传导漏热包括: (1)碳纤维支撑板从80 K框架传导的漏热; (2)重力卸载用的碳纤维杆从80 K框架传导的漏热; (3)偏置线缆和温度传感器线缆从80 K框架传导的漏热; (4)中频线缆从35 K热沉传导的漏热.偏置线缆和温度传感器线缆采用铍铜材料线缆减小漏热,中频线缆选用直径为1.2 mm的镍铜同轴线缆减小漏热.根据材料的导热系数[14-18],在杜瓦外部环境温度为30°C,混频器工作温度为8 K时,仿真计算传导漏热.表3为杜瓦内部辐射漏热和传导漏热分析结果.
表3 杜瓦内部辐射漏热和传导漏热分析Table 3 Analysis of radiation and conduction heat leakage in cryostat
根据漏热分析结果统计,杜瓦内部结构对制冷机一级冷端的漏热量为1800 mW,对二级冷端的漏热量为20.6 mW,将各个部分的漏热量加载到杜瓦模型内进行热仿真,热分布云图如图9所示.表明杜瓦内部不同温区的支撑结构能够满足隔热要求.
图9 杜瓦内部热仿真云图.80-300 K结构的热仿真(上图),8-80 K结构的热仿真(下图).Fig.9 Thermal simulation of cryostat.Thermal simulation of 80-300 K structure (top panel),thermal simulation of 8-80 K structure (bottom panel).
制冷机冷端与支撑结构之间采用铜导热带连接进行热量传递,二者之间存在一定温差,从而增加对冷端制冷量的需求.太赫兹模块所使用的制冷机为中科院理化技术研究所研制的两级热耦合型脉冲管制冷机.根据制冷机工程样机的性能测试结果可知,一级冷端最低温度60.1 K,在80 K温度的制冷量约为5 W (180 W交流功率输入); 二级冷端最低温度5 K,在8 K温度的制冷量约为36 mW(180 W交流功率输入); 中间35 K冷级的制冷量约为50 mW.低温杜瓦的热分析结果表明杜瓦内部各级温区结构的总漏热量小于制冷机的制冷量,能确保氮化铌超导SIS混频器工作温度低于10 K.
本文针对高灵敏度太赫兹探测模块低温杜瓦的功能需求和应用特点,开展了杜瓦结构设计并进行了力热特性研究.针对低温杜瓦的力学仿真分析与实测结果表明其结构能够适应发射过程中的力学振动环境; 热仿真分析结果表明杜瓦内各级温区结构的总漏热量小于制冷机的总制冷量,能确保氮化铌超导SIS混频器工作温度低于10 K.本文研究结果对于太赫兹探测模块的后续研制有指导意义.
致谢感谢审稿人对文章提出的宝贵建议.感谢紫金山天文台毫米波和亚毫米波技术实验室以及中科院理化所空间功热转换技术重点实验室提供的实验条件.
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