55、宇宙微波背景辐射望远镜及其光学系统解析

宇宙微波背景辐射望远镜及其光学系统解析

1. 光学系统基础与旁瓣控制

1.1 折射与反射光学系统特性

在宇宙微波背景辐射（CMB）观测中，折射和反射光学系统各有特点。折射系统中，聚乙烯和硅等材料的折射表面会有约 4 - 30% 的反射，为消除这些反射，需要在宽频范围内工作的抗反射涂层。相比之下，金属反射器在几兆赫兹到几太赫兹的频率范围内可实现接近 100% 的反射率。目前，纯折射的 CMB 系统较少，通常使用直径约 30 厘米的聚乙烯透镜，工作在度级分辨率，每个光路一般使用一到两个频率。纯折射系统的优点是能提供大的光学视场（DLFOV），且无遮挡，结构相对紧凑。

1.2 旁瓣控制技术

所有 CMB 望远镜都需要控制和理解旁瓣。天线方向图在光学元件设计半径之外会有非零响应，即“溢出”，用边缘锥度（edge taper）来量化，通常以分贝（dB）表示。最佳做法是让溢出辐射被温度稳定的冷表面吸收，该冷表面温度要足够低，使溢出耦合的总功率远小于探测器的总负载，且在最大天空扫描时间尺度内保持稳定。以下是三种常用的旁瓣控制技术：
1. 使用特殊形状的喇叭天线 ：将探测器元件的波束发射到光学系统的其余部分（或天空）。喇叭天线的波束模式理论已较为成熟，测量结果与预测相符，可设计出低溢出水平的天线方向图。
2. 使用孔径光阑 ：控制和定义主反射镜上的照明。在光路中有主反射镜图像的位置放置毫米波黑体且通常为冷的孔径光阑，调整光阑直径可有效控制主光学元件上的照明和边缘锥度。此外，波束边缘低于光阑边缘锥度的辐射会被冷表面拦截。
3. 使用屏蔽和挡板 </