红外天光背景测量仪

进展报告

背景介绍及设计要求

我国长久以来缺乏好的红外天文观测台址和设备,限制了我国红外天文学的发展。南极大陆以其得天独厚的环境条件被广泛认为是地球上最好的天文台址。近年来,中国南极科学考察活动不断发展,在南极冰原最高点冰穹A(海拔4000m)建立了昆仑科学考察站并设置了一些相关监测设备。这为未来在冰穹A可能建设的天文台打下了一些基础。中国南极天文台的建设将使中国天文研究在光学,红外和亚毫米等多个波段获得与世界最优秀的天文观测台站相媲美的观测条件,给中国乃至世界天文学家提供一个重要观测场所。然而,红外波段背景发射是干扰观测结果的主要噪声来源。在所有观测波段,南极点地区的红外天空背景都低于其他两个台站的天空背景。考虑到冰穹A的海拔较高,因而导致更低的水蒸气含量和气温,冰穹A的红外观测条件会比南极点更加优越。我们对于南极冰穹A的近红外与中红外的天空背景尚无直接的观测数据。在近红外波段,冰穹A的最大优势是极好的大气宁静度、透明度和低天光背景,从而使得冰穹A适合开展近红外深度巡天研究。但是巡天观测可以做到多深,需要多长的曝光时间?回答这些问题,需要近红外天空背景强度的准确测量。目前,实验室正在进行这方面的工作,全面负责整个项目,涉及机械设计部分、电子学读出与自动化控制部分。

仪器概要

红外天光背景测量仪(DAIRBM)用于测量南极天文台台址观测条件。

参数 红外天光光谱仪及控制系统
波长覆盖范围 1.0 - 2.5微米
分光方式 圆形波长可变滤波片 (CVF)或多滤波片切换
光谱分辨率 R > 50
天空观测高度角范围 0 ~ 180度
空间分辨率 < 10度
高度角扫描速度 1 ~ 5小时每180 度(可调)
探测器类型 InSb点单元
探测器制冷温度 探测器制冷温度
定标源类型 可温控腔式黑体
定标源温度调节范围 20—1200摄氏度
定标源温控精度 0.3 摄氏度

探测器

采用Teledyne Judson公司的Dewar and coolersJ10D-M204-R02M-60-SP28 取出其中的探测器组件(包括冷屏、SP28滤光片以及底座)。

在实际设计中探测器组件会安装在冷子上,通过铜薄连接冷头和探测器。

整个测量仪由如下五个部分的工作内容组成。

科学实验

在购买了标准黑体、探测器及其前放模块(PA-9 :106倍)之后,为了更好理解探测器性能,搭建了测试系统,并购买了部分光学部件用于前期的性能测试。


使用前放模块和读出电路对探测器的信号进行采样,为后期前放模块和读出电路的设计提供参考。

光学设计

目前光学设计的设计方案已经基本完成,进入机械可行性的验证过程。

系统的主要技术指标和参数如下:
(1)视场:天空视场角度不小于1 度。
(2)口径:入射光束直径不小于5mm。
(3)波段:工作波长覆盖J、H、K 波段。
(4)尺寸:光学系统的物理长度低于1 米。
(5)像质: 焦面80%能量半径不超过1mm
(6)效率:系统集光效率不低于50%。
(7)环境:适用于液氮温度(-200℃)和真空环境
(8)探测器:InSb 探测器,光敏面尺寸Ø2mm

机械设计

由真空腔、光学基板、滤光片转轮、磁流体旋转导入器、步进电机以及冷指组成。

目前先设计了液氮真空杜瓦用于进行试验,以免测试期间损坏斯特林制冷机。同时使用液氮同样可以到77K的制冷温度。

已经到货的Cryocool MT斯特林制冷机,虽然安装有Active balance设备,但依然担心机械振动的干扰耦合到内部光学器件影响光学成像。因此需要结构滤波设计。

电路设计

电路方面对于前放部分有两种设计方案:

  • 一种是使用斩波器的方案。
  • 另一种,是使用积分电路的方案。

斩波器的方案:

积分电路方案:

目前仍然在设计中···

在实验室原有成熟的CCD读出电路的基础上进行修改,能够达到约50Mbps的采样率,对于波形峰峰值的采集以及后期的数据处理提供大量的样本数据。

后期将基于此版本重新设计单板的读出电路。