面向南极的科学级CCD探测器系统关键技术的研究

发布时间：2020-05-17 15:03

【摘要】：天文学是近代物理蓬勃发展的一个学科,大口径,高分辨的天文望远镜是天文观测的必备科学仪器。现代天文望远镜可以观测到光学直至电磁波段,不仅可以观测天体还可以观测天体的光谱,已经从地球进入空间,乃至未来在月球建造。天文学家可以利用其对宇宙进行观测,获取数据分析天体的状态和特性。光学望远镜作为最重要的望远镜种类,其收集天体的光学波段的光信息,进而通过成像相机完成成像记录。近代以来,随着半导体技术的飞速发展,CCD(ChargeCoupleDevice)已经作为天文成像的关键器件,并发挥越来越重要的作用。CCD是电荷耦合器件,可以进行光电转换,将光学信息收集转换成电信号。CCD探测器的量子效率、读出噪声等特性直接影响望远镜的成像质量。光学望远镜的选址对于观测的重要性也不可忽视,足够好的视宁度、观测时长、温度等气候条件对于天文观测而言至关重要。我国目前已经建成了多个观测站点,这些站点的共同点是,视宁度好、远离城市光污染少。而南极大陆作为人类极少活动的区域,其空气优良,具备极夜的特殊性可以进行长期连续观测。因此天文望远镜如果能在南极架设,其优势是不言而喻的。但是南极恶劣的气温、人员维护成本高都是巨大的挑战。南极的低温环境对于机械结构的可靠性要求很高,除此之外,低温下电子学器件、电路能否正常工作都是关键的问题。我国目前已经在南极开展的望远镜项目有,CSTAR(Chinese Small Telescope Array)[1][2],AST3(Antarctic Survey Telescope)[3][4],BSST(Bright Star Survey Telescope)[5][6]。CSTAR主要科学目标是在变星检测、寻找系外行星、台址测量。BSST是目前我国在南极中山站投入使用的第一台光学望远镜,其主要科学目标是搜寻太阳系外的行星,口径是300mm。本文的主题便是设计并实现了适用于南极CSTAR和BSST望远镜的科学级CCD探测器系统,其能够适应于南极的低温环境,并具备一定的自主故障诊断功能,有效的保证望远镜能够可靠的执行观测计划。CCD探测器系统的组成可分为结构、电子学二个主要部分。探测器系统正常运行首先需要合理的结构设计,科学级CCD探测器系统的CCD芯片是典型的半导体器件,需要在充分制冷条件下工作以降低暗电流噪声。因此在真空环境下制冷科学级CCD芯片是必要的。用于南极的结构必需考虑小型化、热胀冷缩效应等难题。本文设计的结构,合理布局空间,采用小型化腔体,内置TEC、CCD、真空穿通密封件等器件。材料上充分考虑温度匹配问题以应对热胀冷缩的问题;金属化密封及吸附剂保证了真空的获得与维持。科学级CCD探测器系统的低噪声读出系统是本文的重点。其组成部分主要是高质量的电源系统,CCD控制器。本文通过合理选型、可靠性设计、充分考虑低温因素,保证控制器在低温下的可靠性,并通过实际测试验证。软件配合底层固件形成自主诊断功能,能够定位故障位置和报警,保证CCD探测器系统的正常运行。同时针对大靶面CCD的特点,设计并实现对应的复杂驱动和多种读出方式。整套CCD探测器系统经过充分测试。本文提出并实现了一种高性能的CCD探测器系统的仿真测试装置来验证CCD控制器。通过对CCD信号的仿真,输入给CCD控制器,可以测试CCD控制器的读出电路;通过对CCD控制器输出的时序驱动进行采样分析,可以判断CCD控制器的驱动是否正常。从而有效的保证了在装配CCD之前CCD控制器的正常工作,测试装置便捷,提高测试效率,易于及时发现问题。本论文的创新点可归纳为以下几个主要部分:1.面向南极-80℃极端环境下的的CCD探测器的低温真空杜瓦的研究,完成了用于CSTAR望远镜的小型CCD探测器的低温真空设计与实现,实测真空制冷效果良好,真空维持时间较长。并在此基础上完成了用于BSST望远镜的大焦面CCD探测器的低温真空杜瓦设计与实现。2.面向南极-80℃极端环境下的CCD探测器的低噪声高精度读出系统的研究,完成了一套用于CSTAR望远镜的CCD探测器系统的CCD控制器、高性能电源。实测性能良好,读出噪声达到国际先进水平,最低可到4e-RMS@100K。在低温下通过验证测试。同时通过对自主故障诊断系统的研究,实现了系统的故障自定位与报警功能,保证系统的正常运行。进而进行用于BSST望远镜的大焦面CCD探测器读出系统的研究,完成了一套BSST相机的CCD控制器。3.高性能的CCD仿真测试系统的研究,完成了一套仿真测试系统,实现对CCD控制器的检验、模拟CCD信号,便于及时有效评估CCD控制器的功能和读出噪声性能。
【图文】：

曲线,南极,站点,中山站

逦＇逦：＇邋．邋？逦＜？９＊邋？２邋Ｓ．邋？？？邋２３－１逡逑图１．１我国南极科考站点逡逑图１．１是我国在南极的科考站点位置示意图。１９８５年，，我国在南极建设第一逡逑个科考站：长城站。１９８９年我国在东南极沿岸建立常年观测的中山站。２００９年逡逑．逦我国在南极内陆冰盖最高点ＤｏｍｅＡ附近，海拔４０８７ｍ处建立昆仑站，是继长城逡逑站、中山站后，中国在南极建立的第三个考察站。其中昆仑站整年的气温曲线大逡逑致如图１．２所示［７］：逡逑１逡逑

曲线,昆仑,气温,南极

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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P111

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