射電天文譜線接收機(jī)

(頻譜儀) 射電望遠(yuǎn)鏡中采用的頻譜儀主要有下列四種。

①單通道可調(diào)式頻譜儀(或稱掃頻式頻譜儀):是早期使用的系統(tǒng)，采用一個(gè)中心頻率可以移動(dòng)的窄通帶濾波器。隨著濾波器中心頻率的移動(dòng)，輸入信號(hào)中的各頻率分量依次通過(guò)濾波器，這樣便可以得到輸入信號(hào)的功率譜。

②多通道式頻譜儀:是一種經(jīng)典的系統(tǒng)，目前在毫米波段的譜線接收機(jī)中用得較多。這一系統(tǒng)與前者不同之處是，采用了相互并聯(lián)的n個(gè)帶通濾波器，濾波器的帶寬為△v，各濾波器中心頻率的間隔也是△v。測(cè)出通過(guò)各濾波器的信號(hào)功率，便可得到覆蓋范圍為n△v的功率譜。△v是頻率分辨率，它表示譜線接收機(jī)分辨頻譜細(xì)節(jié)的能力;n是通道數(shù);n△v為帶寬。觀測(cè)任務(wù)不同，所需的分辨率也不同?！鱲在幾千赫到幾兆赫范圍。通道數(shù)n現(xiàn)在可達(dá)幾百。當(dāng)△v=1兆赫時(shí)，n△v達(dá)幾百兆赫。

③自相關(guān)式頻譜儀:在二十世紀(jì)六十年代初開始應(yīng)用。這種系統(tǒng)分辨率高，改變分辨率也方便，故在分米波段和厘米波段得到廣泛應(yīng)用。在采用數(shù)字相關(guān)器的系統(tǒng)中，信號(hào)被取樣、數(shù)量化與延遲，然后送到乘法器，求出自相關(guān)函數(shù)后，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，從而得到信號(hào)的功率譜。由于受到運(yùn)算速度的限制，這一系統(tǒng)帶寬在幾十兆赫之內(nèi)。

④聲光頻譜儀:采用如圖所示的裝置。一個(gè)氦氖激光器發(fā)射單色光，通過(guò)波束展寬裝置照到聲光偏轉(zhuǎn)器上。聲光偏轉(zhuǎn)器的主體是一塊光學(xué)介質(zhì)(如 TeO2晶體、熔石英、玻璃和水等)，在偏轉(zhuǎn)器的一端貼上如鈮酸鋰(LiNbO3)之類的換能器，而另一端貼上吸收物質(zhì)(如鉛等)。接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)加到換能器上，換能器將電信號(hào)變成機(jī)械振動(dòng)，于是在光學(xué)介質(zhì)中形成疏密波，并以行波方式傳播。疏密波引起介質(zhì)中各部分折射率的變化。光通過(guò)這部分介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生衍射，形成三個(gè)"布拉格效應(yīng)"。聲光頻譜儀利用其中兩個(gè)效應(yīng)，a.光束偏轉(zhuǎn)。b.光束亮度變化，在一定范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)角與中頻頻偏成正比，其亮度與該頻率上的中頻功率也成正比。若在偏轉(zhuǎn)器后的透鏡焦平面上放一個(gè)光敏二極管陣(PDA)，測(cè)出每個(gè)二極管接收到的光的強(qiáng)度，便得到輸入的中頻信號(hào)的功率譜。這種頻譜儀設(shè)備較簡(jiǎn)單，分辨率可達(dá)幾十千赫，帶寬可超過(guò)100兆赫。

一般采用兩次或三次變頻，有以下特點(diǎn)。

①低的系統(tǒng)噪聲溫度:譜線接收機(jī)接收的射電源的亮溫度是很低的，多數(shù)在1~10K范圍內(nèi)，所以要用高靈敏度的接收機(jī)接收。

②高度穩(wěn)定的本機(jī)振蕩器:終端的頻譜儀測(cè)定的是中頻頻譜，它與高頻頻譜之間相差一個(gè)本機(jī)振蕩頻率。要提高譜線接收機(jī)測(cè)定頻率的精度，不但要求終端的頻譜儀具有高的頻率分辨率，也要求本機(jī)振蕩頻率有足夠的精度與穩(wěn)定度(如10-7)。要達(dá)到這樣高的指標(biāo)，一般都采用微波鎖相技術(shù)，而且參考信號(hào)由高精度的微波頻率綜合器提供。

③要求接收系統(tǒng)有寬而平坦的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定的增益。

④為了提高利用率，要求接收機(jī)有很寬的調(diào)諧帶寬，在毫米波段，調(diào)諧帶寬達(dá)幾十京赫。

⑤采用波束轉(zhuǎn)換和頻率轉(zhuǎn)換:轉(zhuǎn)換是指讓兩種不同信號(hào)交替地通到接收機(jī)，進(jìn)行頻譜比較。其中一個(gè)信號(hào)是待測(cè)的，而另一個(gè)信號(hào)具有平坦的頻譜。采用轉(zhuǎn)換技術(shù)可以減弱接收機(jī)頻響不平坦、增益起伏和寄生頻譜的影響，從而提高檢測(cè)譜線的能力。波束轉(zhuǎn)換過(guò)程中，天線波束交替地指向"源"與一個(gè)具有均勻頻譜的參考天區(qū)。頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中，本機(jī)振蕩頻率在兩頻率間跳動(dòng)，使譜線信號(hào)與一個(gè)頻譜平坦的頻段進(jìn)行比較。

四十年代開始發(fā)展的射電波譜學(xué)，已經(jīng)積累了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的分子微波譜線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按它們的頻率和強(qiáng)度列表，供射電天文譜線證認(rèn)查用。由于星際分子射電譜線頻率的測(cè)量精度較高，又可以排除星際空間罕有的一大批分子的譜線，即使分子云的視向運(yùn)動(dòng)引起多普勒頻移，觀測(cè)到的頻率仍不易同時(shí)和多于一種以上的已知分子譜線的頻率重合，不會(huì)給證認(rèn)工作帶來(lái)太大的困難。一般情況下，有一條精確測(cè)定的射電天文譜線就可以可靠地辨別出它屬于哪一種分子;在有懷疑的情況下，觀測(cè)同一分子的另一條射電天文譜線就可作出肯定的證認(rèn)。另外，由于原子核磁矩產(chǎn)生的能級(jí)超精細(xì)分裂，或由于不同的同位素原子替代分子中原來(lái)的原子而形成的能級(jí)移動(dòng),都會(huì)造成一群相距較近的譜線,它們對(duì)證認(rèn)也會(huì)大有幫助。不過(guò)，在天體條件下，同一分子源中各條譜線的強(qiáng)度比，往往偏離熱動(dòng)平衡條件下的比值，因此，譜線強(qiáng)度比一般不作為證認(rèn)的根據(jù)，而是用來(lái)了解分子源的熱動(dòng)平衡狀況。

天文觀測(cè)中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些尚未證認(rèn)的譜線，在地球?qū)嶒?yàn)室已測(cè)定的譜線頻率表中找不到與之對(duì)應(yīng)的分子。在這種情況下，證認(rèn)工作就比較困難。雖然可以從原子的宇宙豐度(見(jiàn)元素的豐度)、星際化學(xué)、分子結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算、同位素替代以及譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)等多方面的考慮，作出有相當(dāng)把握的推斷，但是，最終的證認(rèn)還是要靠地面上的波譜實(shí)驗(yàn)，設(shè)法測(cè)定被證認(rèn)分子的譜線。在這方面著名的例子是:1970年以后在許多星云中多次觀測(cè)到一條頻率為89.2京赫的強(qiáng)譜線，當(dāng)時(shí)不知道它是什么分子發(fā)出的譜線,便取名為"X分子"(X-ogen)。以后有人從天體化學(xué)、分子譜線的理論計(jì)算，推測(cè)它可能來(lái)自HCO(甲酰分子離子),后來(lái)在星云中又找到同位素C取代的同位素分子HCO的相應(yīng)微波譜線,因而更有把握認(rèn)為X分子就是HCO。1975年終于在實(shí)驗(yàn)室中利用新技術(shù)得到了HCO和HCO的微波譜線，使證認(rèn)工作得到了肯定的結(jié)果。

隨著星際分子天文學(xué)的迅速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了更多的未證認(rèn)的譜線。這些譜線往往有以下情況:一種是有一類分子象某些自由基和分子離子，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下很不穩(wěn)定，因而過(guò)去無(wú)法測(cè)定它們的譜線;另一種是有些分子在室溫下蒸汽壓很低，也不易測(cè)定它們的譜線。然而在天體條件下，這些分子卻能穩(wěn)定存在，并發(fā)出足夠強(qiáng)的譜線。這些譜線的證認(rèn)，促使氣體波譜學(xué)實(shí)驗(yàn)工作設(shè)法制造天文學(xué)上感興趣的分子樣品，并精確測(cè)定它們的微波譜線。七十年代以來(lái)，這方面的工作有較大的進(jìn)展,例如在天體上首先觀測(cè)到的氫化偶氮離子N2H和異氰化氫 HNC等分子的微波譜線，后來(lái)都在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量成功。在測(cè)量毫米波、亞毫米波的譜線以及一些實(shí)驗(yàn)室條件下不易激發(fā)的譜線方面，也做了不少工作。