面向南极的科学级CCD探测器系统关键技术的研究

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(Charge Couple Device)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),AST3(Antarctic Survey Telescope),BSST(Bright Star Survey Telescope)。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。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 南极的地理环境与天文

1．2 天文望远镜介绍

1．2．1 国内外大型望远镜的现状

1．2．2 VLT望远镜

1．2．3 Subara望远镜

1．2．4 南极望远镜

1．3 国内外科学级CCD探测器系统现状

1．3．1 MUSE探测器系统

1．3．2 LAMOST探测器系统

1．3．3 极地望远镜探测器系统

1．4 本论文的主要工作及内容

第2章 科学级CCD探测器系统

2．1 CCD探测器的基本介绍

2．1．1 CCD的工作原理及工作过程

2．1．2 CCD的基本概念和术语

2．1．3 CCD的分类

2．1．4 CCD的噪声分析

2．1．5 CCD探测器系统的基本测试方案

2．2 CCD探测器系统研制的需求和指标

2．3 CCD探测器系统的总体架构

2．4 CCD探测器系统的关键技术

第3章 面向南极的低温真空杜瓦的研究

3．1 低温真空杜瓦的总体方案

3．2 真空的密封与维持

3．2．1 真空的密封与检漏测试结果

3．2．2 真空的维持及测试结果

3．3 低温制冷的方案设计与测试

3．3．1 制冷方案设计

3．3．2 制冷方案测试结果

第4章 面向南极的低噪声高精度读出系统的研究

4．1 低噪声耐低温电源系统的设计

4．2 CCD控制器的设计

4．2．1 CSTAR相机的CCD控制器

4．2．2 BSST相机的CCD控制器

4．3 系统控制与逻辑设计

4．3．1 系统控制

4．3．2 逻辑设计

4．3．3 自主故障诊断

4．4 耐低温的设计

第5章 仿真测试系统与系统测试

5．1 仿真测试系统的研究

5．1．1 控制器状态检测模块

5．1．2 CCD波形产生模块

5．1．3 仿真测试系统对CCD控制器的检验测试

5．2 系统测试

5．2．1 电源系统的测试

5．2．2 CSTAR相机的整机测试

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

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