【摘要】：天文學(xué)是近代物理蓬勃發(fā)展的一個學(xué)科,大口徑,高分辨的天文望遠(yuǎn)鏡是天文觀測的必備科學(xué)儀器�，F(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡可以觀測到光學(xué)直至電磁波段,不僅可以觀測天體還可以觀測天體的光譜,已經(jīng)從地球進(jìn)入空間,乃至未來在月球建造。天文學(xué)家可以利用其對宇宙進(jìn)行觀測,獲取數(shù)據(jù)分析天體的狀態(tài)和特性。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為最重要的望遠(yuǎn)鏡種類,其收集天體的光學(xué)波段的光信息,進(jìn)而通過成像相機(jī)完成成像記錄。近代以來,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,CCD(ChargeCoupleDevice)已經(jīng)作為天文成像的關(guān)鍵器件,并發(fā)揮越來越重要的作用。CCD是電荷耦合器件,可以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將光學(xué)信息收集轉(zhuǎn)換成電信號。CCD探測器的量子效率、讀出噪聲等特性直接影響望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的選址對于觀測的重要性也不可忽視,足夠好的視寧度、觀測時長、溫度等氣候條件對于天文觀測而言至關(guān)重要。我國目前已經(jīng)建成了多個觀測站點(diǎn),這些站點(diǎn)的共同點(diǎn)是,視寧度好、遠(yuǎn)離城市光污染少。而南極大陸作為人類極少活動的區(qū)域,其空氣優(yōu)良,具備極夜的特殊性可以進(jìn)行長期連續(xù)觀測。因此天文望遠(yuǎn)鏡如果能在南極架設(shè),其優(yōu)勢是不言而喻的。但是南極惡劣的氣溫、人員維護(hù)成本高都是巨大的挑戰(zhàn)。南極的低溫環(huán)境對于機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性要求很高,除此之外,低溫下電子學(xué)器件、電路能否正常工作都是關(guān)鍵的問題。我國目前已經(jīng)在南極開展的望遠(yuǎn)鏡項目有,CSTAR(Chinese Small Telescope Array)[1][2],AST3(Antarctic Survey Telescope)[3][4],BSST(Bright Star Survey Telescope)[5][6]。CSTAR主要科學(xué)目標(biāo)是在變星檢測、尋找系外行星、臺址測量。BSST是目前我國在南極中山站投入使用的第一臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,其主要科學(xué)目標(biāo)是搜尋太陽系外的行星,口徑是300mm。本文的主題便是設(shè)計并實現(xiàn)了適用于南極CSTAR和BSST望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)級CCD探測器系統(tǒng),其能夠適應(yīng)于南極的低溫環(huán)境,并具備一定的自主故障診斷功能,有效的保證望遠(yuǎn)鏡能夠可靠的執(zhí)行觀測計劃。CCD探測器系統(tǒng)的組成可分為結(jié)構(gòu)、電子學(xué)二個主要部分。探測器系統(tǒng)正常運(yùn)行首先需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,科學(xué)級CCD探測器系統(tǒng)的CCD芯片是典型的半導(dǎo)體器件,需要在充分制冷條件下工作以降低暗電流噪聲。因此在真空環(huán)境下制冷科學(xué)級CCD芯片是必要的。用于南極的結(jié)構(gòu)必需考慮小型化、熱脹冷縮效應(yīng)等難題。本文設(shè)計的結(jié)構(gòu),合理布局空間,采用小型化腔體,內(nèi)置TEC、CCD、真空穿通密封件等器件。材料上充分考慮溫度匹配問題以應(yīng)對熱脹冷縮的問題;金屬化密封及吸附劑保證了真空的獲得與維持。科學(xué)級CCD探測器系統(tǒng)的低噪聲讀出系統(tǒng)是本文的重點(diǎn)。其組成部分主要是高質(zhì)量的電源系統(tǒng),CCD控制器。本文通過合理選型、可靠性設(shè)計、充分考慮低溫因素,保證控制器在低溫下的可靠性,并通過實際測試驗證。軟件配合底層固件形成自主診斷功能,能夠定位故障位置和報警,保證CCD探測器系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時針對大靶面CCD的特點(diǎn),設(shè)計并實現(xiàn)對應(yīng)的復(fù)雜驅(qū)動和多種讀出方式。整套CCD探測器系統(tǒng)經(jīng)過充分測試。本文提出并實現(xiàn)了一種高性能的CCD探測器系統(tǒng)的仿真測試裝置來驗證CCD控制器。通過對CCD信號的仿真,輸入給CCD控制器,可以測試CCD控制器的讀出電路;通過對CCD控制器輸出的時序驅(qū)動進(jìn)行采樣分析,可以判斷CCD控制器的驅(qū)動是否正常。從而有效的保證了在裝配CCD之前CCD控制器的正常工作,測試裝置便捷,提高測試效率,易于及時發(fā)現(xiàn)問題。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為以下幾個主要部分:1.面向南極-80℃極端環(huán)境下的的CCD探測器的低溫真空杜瓦的研究,完成了用于CSTAR望遠(yuǎn)鏡的小型CCD探測器的低溫真空設(shè)計與實現(xiàn),實測真空制冷效果良好,真空維持時間較長。并在此基礎(chǔ)上完成了用于BSST望遠(yuǎn)鏡的大焦面CCD探測器的低溫真空杜瓦設(shè)計與實現(xiàn)。2.面向南極-80℃極端環(huán)境下的CCD探測器的低噪聲高精度讀出系統(tǒng)的研究,完成了一套用于CSTAR望遠(yuǎn)鏡的CCD探測器系統(tǒng)的CCD控制器、高性能電源。實測性能良好,讀出噪聲達(dá)到國際先進(jìn)水平,最低可到4e-RMS@100K。在低溫下通過驗證測試。同時通過對自主故障診斷系統(tǒng)的研究,實現(xiàn)了系統(tǒng)的故障自定位與報警功能,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。進(jìn)而進(jìn)行用于BSST望遠(yuǎn)鏡的大焦面CCD探測器讀出系統(tǒng)的研究,完成了一套BSST相機(jī)的CCD控制器。3.高性能的CCD仿真測試系統(tǒng)的研究,完成了一套仿真測試系統(tǒng),實現(xiàn)對CCD控制器的檢驗、模擬CCD信號,便于及時有效評估CCD控制器的功能和讀出噪聲性能。
【圖文】：

邐＇邐：＇邋．邋？邐＜？９＊邋？２邋Ｓ．邋？？？邋２３－１逡逑圖１．１我國南極科考站點(diǎn)逡逑圖１．１是我國在南極的科考站點(diǎn)位置示意圖。１９８５年，，我國在南極建設(shè)第一逡逑個科考站：長城站。１９８９年我國在東南極沿岸建立常年觀測的中山站。２００９年逡逑．邐我國在南極內(nèi)陸冰蓋最高點(diǎn)ＤｏｍｅＡ附近，海拔４０８７ｍ處建立昆侖站，是繼長城逡逑站、中山站后，中國在南極建立的第三個考察站。其中昆侖站整年的氣溫曲線大逡逑致如圖１．２所示［７］：逡逑１逡逑

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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P111

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本文編號：2668744