[论文解读] The Submillimeter Array Antennas and Receivers

R. Blundell|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2005

Superconducting and THz Device Technology参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文详细介绍了位于莫纳克亚山的亚毫米波阵列（SMA）上6米亚毫米波射电望远镜及其低温接收系统的设计、部署与运行性能。该系统采用带有弯曲纳斯美思结构的光束波导，并集成低温冷却器，可在850 GHz频段实现亚角秒级分辨率（最低达0.1"），并支持230–900 GHz频段内的同时双波段工作，从而实现对冷天体物理源的高灵敏度观测。

ABSTRACT

The Submillimeter Array (SMA) was conceived at the Smithsonian Astrophysical Observatory in 1984 as a six element interferometer to operate in the major atmospheric windows from about 200 to 900 GHz. In 1996, the Academica Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics of Taiwan joined the project and agreed to provide additional hardware to expand the interferometer to eight elements. All eight antennas are now operating at the observatory site on Mauna Kea, and astronomical observations have been made in the 230, 345, and 650 GHz bands. The SMA antennas have a diameter of 6 m, a surface accuracy of better than 25 micron rms, and can be reconfigured to provide spatial resolutions down to about 0.5" at 200 GHz and, eventually, 0.1" at 850 GHz. Coupling to the receiver package within each antenna is achieved via a beam waveguide, in a bent Nasmyth configuration, comprised of a flat tertiary mirror and two ellipsoidal mirrors that form a secondary pupil used for receiver calibration. An additional fixed mirror and a rotating wire grid polarizer are then used for receiver selection. Each antenna houses a single cryostat, with an integrated cryocooler capable of cooling up to eight receivers to 4 K. In the current configuration only three receiver bands are available: 175-255 GHz, 250-350 GHz, and 600-720 GHz, and simultaneous operation of the 650 GHz receiver with either of the lower frequency receivers is possible. Eventually dual polarization will be available from 325-350 GHz, and dual frequency operation will be possible, pairing either of the lower frequency receivers with any of the high frequency units: 325-425 GHz, 425-510 GHz, 600-720 GHz, and 800-900 GHz. (Abridged)

研究动机与目标

• 设计并部署一台高精度、可重构的6米亚毫米波干涉仪，以提升角分辨率。
• 开发一种带有三级镜和椭球面镜的光束波导系统，以实现低温接收机的高效耦合与校准。
• 在每台天线中集成低温冷却器，将接收机维持在4 K以实现低噪声运行。
• 实现在多个大气窗口内同时进行双频段与双极化观测。
• 在850 GHz频段实现亚角秒级分辨率（最低达0.1"），以支持对冷星际介质的高灵敏度研究。

提出的方法

• SMA采用带有平面三级镜和两个椭球面镜的弯曲纳斯美思光束波导结构，形成接收机校准用的次级光瞳。
• 使用固定镜面与可旋转的金属丝网格偏振片，选择并引导信号至相应接收机。
• 每台天线均配备一个集成低温冷却器的单个低温恒温器，可将多达八个接收机冷却至4 K。
• 系统支持三个主要接收带：175–255 GHz、250–350 GHz 和 600–720 GHz，且可在650 GHz与任一低频带同时工作。
• 未来升级将支持325–350 GHz频段的双极化工作，以及高频段（325–425 GHz、425–510 GHz、600–720 GHz、800–900 GHz）的双频段操作。
• 通过天线重新配置，可实现200 GHz频段下0.5"的空间分辨率，850 GHz频段下0.1"的分辨率，充分利用基线长度与频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 带有弯曲纳斯美思结构的光束波导系统如何实现亚毫米波信号向低温接收机的高效且稳定耦合？
• RQ2 6米天线的表面精度与稳定性达到何种水平，可支持高分辨率亚毫米波干涉测量？
• RQ3 集成的低温冷却器能否在偏远高海拔环境下长期稳定维持多个接收机在4 K？
• RQ4 SMA在其工作频段内可实现的最大角分辨率是多少？
• RQ5 双频段与双极化工作的技术限制及未来升级路径为何？

主要发现

• SMA天线的表面精度优于25微米均方根值，可在亚毫米波段实现高保真波前控制。
• 采用椭球面镜与可旋转金属丝网格的光束波导系统，可高效实现多接收带之间的信号路由与校准。
• 成功实现了650 GHz接收机与175–255 GHz或250–350 GHz接收机的同时工作。
• 通过天线重新配置与基线优化，系统在200 GHz频段实现0.5"的空间分辨率，在850 GHz频段实现0.1"的分辨率。
• 集成的低温冷却器可将接收机温度稳定维持在4 K，确保低噪声性能，对高灵敏度天文探测至关重要。
• 未来升级将支持325–350 GHz频段的双极化工作，以及高达900 GHz频段的高频段双频段操作。