一种超导接收前端分区制冷结构及其实现方法技术

本发明专利技术涉及一种超导接收前端分区制冷结构及其实现方法。该制冷结构包括气缸、设置在气缸顶部的一级冷头、设置在一级冷头上方的一级冷板、套设在气缸中段外侧且与气缸紧配合的金属环以及通过支撑冷头与金属环外侧壁相连的二级冷板；所述金属环包括同轴且从内向外依次设置的第一金属环部和第二金属环部；所述第一金属环部的材质与气缸的材质相同；所述第二金属环部的材质与支撑冷头及二级冷板的材质相同。本发明专利技术能够解决现有技术中存在的不足，对杜瓦内不同器件进行分区制冷，使超导滤波器及开关等器件均能正常工作，且能获得较低的系统噪声系数指标。

【技术实现步骤摘要】
一种超导接收前端分区制冷结构及其实现方法
本专利技术涉及超导接收前端
，具体涉及一种超导接收前端分区制冷结构及其实现方法。
技术介绍
高温超导接收前端是基于超导电子技术的一项重要应用系统。超导接收前端由超导滤波器、低噪声放大器等器件组成，多通道超导接收前端还包含开关等器件。超导滤波器必须工作在液氮温区（77K），该工作环境由密封杜瓦和制冷机提供。低噪声放大器、开关工作在低温环境下可以大大降低器件的噪声温度、插入损耗，从而提高系统的接收灵敏度。微波开关通常采用PIN管或者开关单片进行电路设计，对于需要译码电路的单刀多掷微波开关，无论采用哪种实现方式，其低温承受能力都有限，当环境温度低于120K时，开关稳定性变差，其插入损耗、通道间隔离度等指标会恶化。目前，由于高温超导接收前端所使用的一体式小型化斯特林制冷机只有一个冷头，因此，对于工作在同一杜瓦内需要降温的微波器件，通常的安装方式有以下两种：一、将超导滤波器、低噪声放大器、低温隔离器与开关等器件都安装在一级冷头上方的冷板上，即将超导滤波器、开关等器件都冷却到77K。该方式存在以下缺陷：1、降温时间长：杜瓦内器件（包含滤波器、放大器、前后级开关等）及冷板同步降温至液氮温区（77K），降温热容大，时间长。2、温度梯度不宜实现：实验测试表明冷板上不同位置温度相差不高于2K。开关与超导滤波器均安装在冷板上，当冷头温度达到设定的液氮温度，滤波器进入超导态后，开关也工作在液氮温区附近，其插入损耗、带外抑制等指标会恶化，甚至存在不能稳定工作现象。3、对制冷机冷量需求大：杜瓦内低温环境由斯特林制冷机提供，所有器件均降温至液氮温区，加大了对制冷机的冷量需求，热损耗过高的情况下，甚至达不到所需工作温度。二、将超导滤波器和低噪声放大器安装在一级冷头上方的冷板上，使冷板温度控制在77K（即超导滤波器进入超导态的温度）；开关由固定在杜瓦底板上的绝热支撑结构支撑在杜瓦内，即开关工作在接近常温温度的真空环境中。这两种方法都没有达到降低开关插入损耗的目的，从而会降低接收前端噪声性能，增大接收机的接收灵敏度。该方式存在开关引入噪声增大的缺陷：开关虽然安装在杜瓦内部，但开关固定在绝热支撑结构上，其工作环境温度与杜瓦底板温度相当，接近常温，因而开关作为射频前级，对整个接收前端的噪声温度贡献增大，影响了系统的总噪声系数指标。因此，这两种方式都没有达到降低开关插入损耗的目的，从而会降低超导接收前端的噪声性能，影响接收机的接收灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超导接收前端分区制冷结构及其实现方法，该结构及其实现方法能够解决现有技术中存在的不足，对杜瓦内不同器件进行分区制冷，使超导滤波器及开关等器件均能正常工作，且能获得较低的系统噪声系数指标。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种超导接收前端分区制冷结构，包括气缸、设置在气缸顶部的一级冷头、设置在一级冷头上方的一级冷板、套设在气缸中段外侧且与气缸紧配合的金属环以及通过二级支撑冷头与金属环外侧壁相连的二级冷板；所述金属环包括同轴且从内向外依次设置的第一金属环部和第二金属环部；所述第一金属环部的材质与气缸的材质相同；所述第二金属环部的材质与二级支撑冷头及二级冷板的材质相同。进一步的，所述气缸和第一金属环部均采用不锈钢材料。进一步的，所述一级冷板、二级冷板、二级支撑冷头和第二金属环部均采用无氧铜材料。进一步的，所述二级支撑冷头包括套设在金属环外周且与金属环外周紧配合的第一支撑冷头和设置在第一支撑冷头外端部上方的第二支撑冷头；所述二级冷板安装在第二支撑冷头的上方。本专利技术还涉及一种上述超导接收前端分区制冷机构的实现方法，该方法包括以下步骤：（1）对气缸上不同位置的温度进行标定：在一级冷头上安装第一温度传感器，在气缸外侧壁的不同高度处安装若干第二温度传感器；采用驱动控制器控制制冷机降温，当第一温度传感器测得一级冷头的温度为一级冷头所需维持的温度T1时，通过若干第二温度传感器测量气缸不同高度位置的温度并作标定。（2）在气缸上引出二级冷头：确定二级冷头所需要维持的温度T2，在气缸上标定温度为T2处紧固金属环，并在金属环的外周设置二级支撑冷头，在二级支撑冷头上方安装二级冷板。进一步的，通过对制冷机驱动和调整金属环在气缸上的安装位置来对一级冷板和二级冷板的温度进行调节控制。由以上技术方案可知，本专利技术通过设计斯特林制冷机两级冷头结构，对杜瓦内不同器件进行分区制冷，实现杜瓦内温度的差异分布，满足杜瓦内不同器件的不同温度需求，且能够满足超导接收前端快速制冷的需求，获得较低的系统噪声系数指标。本专利技术所述制冷结构中的二级冷头由气缸外周紧固的金属环延伸出，该金属环由不锈钢和无氧铜压制而成，金属环的内层材质与气缸的材质相同，金属环的外层材质与二级冷板及支撑冷头的材质相同，能够避免低温形变对气缸的挤压或金属环与二级冷板之间的接触不良，确保制冷机的制冷效果，提高导热效率。附图说明图1是气缸温度标定示意图；图2是超导接收前端分区制冷结构的结构示意图；图3是八通道高温超导接收前端的结构示意图；图4是本专利技术的使用状态示意图。其中：100、一级冷头，101、第一温度传感器，102、一级冷板，200、气缸，201、第二温度传感器，202、金属环，203、第一支撑冷头，204、二级冷板，205、第一金属环部，206、第二金属环部，207、第二支撑冷头，300、驱动控制器，400、低温组件一，500、低温组件二，600、单刀八掷开关，700、超导滤波器，800、低温低噪声放大器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明：本专利技术涉及一种超导接收前端分区制冷结构及其实现方法，通过设计两级冷头结构，对杜瓦内不同器件进行分区制冷，将超导滤波器与开关等常规材料器件控制在不同温度，使超导滤波器与开关等器件均能正常工作，且能获得较低的系统噪声系数指标。具体地说，首先对制冷机气缸上不同位置温度进行标定。由一体式气缸活塞式制冷机的原理可知，制冷机进行降温工作时，气缸不同位置的温度自上而下递增。如图1所示，在一级冷头100上安装第一温度传感器101，在气缸200外侧壁不同高度上安装若干个第二温度传感器201。采用驱动控制器300控制制冷机降温，当第一温度传感器101测得的一级冷头100的温度为一级冷头100所需维持温度T1时，通过若干个第二温度传感器201测量气缸200表面不同高度位置的温度并进行标定。第二步在气缸200上引出二级冷头。如图2所示，根据需求确定二级冷头所需要的维持温度T2，在气缸200上标定温度为T2处紧固一金属环202，并从金属环202延伸出二级支撑冷头。二级支撑冷头包括与金属环202外侧壁相连的第一支撑冷头203、设置在第一支撑冷头203外端部上方的第二支撑冷头207，在第二支撑冷头207的上方安装有二级冷板204。将低温组件二500安装在二级冷板204上，低温组件一400安装在一级冷板102上。金属环202与气缸200面的紧配合是二级支撑冷头高效制冷及温度维持的关键，这就要求金属环202与气缸200无缝贴合且不能对气缸200造成挤压。通常，一级及二级冷板选用具有高导热率的无氧铜材料制作成，但薄壁气缸材料为不锈钢，两种材料热膨胀系数存在差异，因此本专利技术设计了采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导接收前端分区制冷结构，其特征在于：包括气缸、设置在气缸顶部的一级冷头、设置在一级冷头上方的一级冷板、套设在气缸中段外侧且与气缸紧配合的金属环以及通过二级支撑冷头与金属环外侧壁相连的二级冷板；所述金属环包括同轴且从内向外依次设置的第一金属环部和第二金属环部；所述第一金属环部的材质与气缸的材质相同；所述第二金属环部的材质与二级支撑冷头及二级冷板的材质相同。

【技术特征摘要】
1.一种超导接收前端分区制冷结构，其特征在于：包括气缸、设置在气缸顶部的一级冷头、设置在一级冷头上方的一级冷板、套设在气缸中段外侧且与气缸紧配合的金属环以及通过二级支撑冷头与金属环外侧壁相连的二级冷板；所述金属环包括同轴且从内向外依次设置的第一金属环部和第二金属环部；所述第一金属环部的材质与气缸的材质相同；所述第二金属环部的材质与二级支撑冷头及二级冷板的材质相同。2.根据权利要求1所述的一种超导接收前端分区制冷结构，其特征在于：所述气缸和第一金属环部均采用不锈钢材料。3.根据权利要求1所述的一种超导接收前端分区制冷结构，其特征在于：所述一级冷板、二级冷板、二级支撑冷头和第二金属环部均采用无氧铜材料。4.根据权利要求1所述的一种超导接收前端分区制冷结构，其特征在于：所述二级支...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文娟，陆勤龙，宾峰，杨时红，阮晓明，郑婷，刘洋，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十六研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34