Колкото и да е студено: Криоохладителят на телескопа Webb

Ако бъдете помолени да назовете най-студеното място в Слънчевата система, има вероятност да си помислите, че това би било възможно най-далече от крайния източник на цялата енергия на системата: Слънцето. Разбираемо е, че колкото по-далеч сте от нещо горещо, толкова повече топлината се разпространява. И така Плутон, планета или не, може да бъде добро предположение за рекордно ниската температура.

Но колкото и да е студено на Плутон – до 40 Келвина – има място много, много по-студено от това и по ирония на съдбата, много по-близо до дома. Всъщност, той е само на около милион мили и точно сега, намирайки се на само 6 Келвина, парчето силиций във фокалната равнина на един от основните инструменти на борда на космическия телескоп Джеймс Уеб прави направо гладката повърхност на Плутон. .

Дълбочината на студа върху Webb е още по-удивителна, защото само на няколко фута от него температурата е 324 K (123 F, 51 C). Как и защо охладителните системи на Webb са пълни с интересни технически подробности и заслужават внимателно разглеждане, докато най-новият космически телескоп в света се подготвя за наблюдения.

Не е достатъчно студено

Вероятно най-очевидният първи въпрос относно криоохладителите в космоса е: защо, по дяволите, Уеб изобщо се нуждае от криоохладител? Не е ли пространството, особено областта около орбитата на ореола на Уеб около точката на Лагранж L2, вече достатъчно студено? Накратко, не – инструментите на Уеб за инфрачервената астрономия са предназначени, пространството не е достатъчно студено. Но какво е толкова специално в инфрачервената астрономия и защо тя изисква толкова ниски температури?

От най-ранните си концепции това, което ще стане космическият телескоп Джеймс Уеб, винаги е било проектирано като инфрачервен телескоп. Това е така, защото обектите, които Уеб трябваше да изучава, са едни от най-старите обекти във Вселената, а законът на Хъбъл ни казва, че колкото по-далеч е даден обект, толкова по-бързо се отдалечава от Земята, светлина d Те ще бъдат драстично изместени в червено благодарение на ефект на Доплер. Това означава, че светлината от почти всичко, към което Webb ще бъде насочено, е някъде в инфрачервената част на спектъра. Четирите комплекта инструменти за изображения и спектрографски инструменти на Webb могат да покриват от самия ръб на видимата част на спектъра, от около 0,6 μm дължина на вълната, до дължини на вълната от средната инфрачервена d около 28 μm. За справка, микровълните започват при дължини на вълната около 100 μm, така че честотата на светлината, която Webb е проектиран да изучава, не е толкова далеч над радиочастта на електромагнитния спектър.

Проблемът с инфрачервената астрономия е, че сензорите, използвани за улавяне на светлината, лесно се претоварват от топлината от заобикалящата ги среда, която излъчва в инфрачервената област. Освен това фотосензорите, използвани в инфрачервените телескопи, са чувствителни към тъмен ток, който е ток, протичащ през сензора, дори когато върху него не пада светлина. Тъмният ток се причинява основно от термичното стимулиране на електроните в материала на сензора, така че поддържането на сензора възможно най-хладен е дълъг път за намаляване на шума.

Има студ, а след това има MIRI Cold

Както беше посочено по-рано, Webb има четири основни инструмента. Три от тях – близката инфрачервена камера (NEARCam), близкият инфрачервен спектрограф (NEARSpec) и сензорът за фино насочване и близък инфрачервен имиджър и спектрограф без прорези (FGS-NIRISS) – всички работят в близката инфрачервена част на системата. спектър, както подсказват имената им. Близо инфрачервеното е точно под видимата част на спектъра, около 0,6 до 5,0 μm. Сензорите за тези дължини на вълните използват сплав от живак, кадмий и телур (Hg:Cd:Te) и изискват охлаждане до около 70 Келвина, за да бъдат използвани.

Сензорът на MIRI, 1024 × 1024 пиксела, легиран с арсен силициев сензор, монтиран в неговия модул на фокалната равнина. Криоохладителят ще намали този сензор до 6 K. Източник: NASA/JPL

За наземни близо инфрачервени телескопи, охлаждането на Hg:Cd:Te сензорите обикновено се извършва с течен азот. При Webb обаче е налична друга опция, благодарение на масивния петслоен сенник, който предпазва обсерваторията от огнената светлина на Слънцето, както и от светлината, отразена от Земята, която благодарение на орбитата на ореола на телескопа , все още се вижда. Слоевете на алуминизирания каптон сенник на Webb са разположени така, че падащият IR отскача между съседни слоеве и в крайна сметка излъчва в пространството повече или по-малко перпендикулярно на сенника, вместо да прониква през слоевете надолу до чувствителната оптика от тъмната му страна. Сенникът получава около 200 kW енергия от горещата страна, докато позволява само 23 mW да преминат през студената страна. Това поддържа инструментите, разположени там, при температура на замръзване от 40 K, което е достатъчно студено за трите инструмента в близост до инфрачервени лъчи.

Но колкото и студено да е 40 Келвина над абсолютната нула, все още е твърде горещо за сензорите на четвъртия от основните инструменти на Webb. Средно инфрачервеният имиджър или MIRI е проектиран да изобразява и прави спектрографски наблюдения от 5 до 28 μm, което изисква напълно различен сензор от близките му инфрачервени братовчеди. Вместо Hg:Cd:Te, сензорът на MIRI се основава на легиран с арсен силиций (Si:As), който трябва да бъде охладен много близо до абсолютната нула – по-малко от 7 Келвина.

Звучи доста студено

В оригиналните проекти на Webb, ултра-студената температура, необходима за MIRI, щеше да бъде осигурена от колба на Дюар, съдържаща криогенно вещество: твърд водород. Изборът на съхранявана криогенна система е направен поради незрялостта на космическо активните криоохлаждащи системи, способни да достигнат 6 K по това време. Въпреки това, сега прословутите закъснения на Webb позволиха технологията на криоохладителя да се разрасне и в светлината на спестяването на тегло, което предлага активният криоохладител, да не говорим за възможността да се използва MIRI по-дълго – инструментът би бил безполезен, след като твърдият водород изпари напълно – беше взето решение за замяна на криогенния Dewar.

Не беше без инженерни предизвикателства, разбира се. Основният сред тях беше способността да се достигне целевата температура, като същевременно се спазват ограниченията за мощност и тегло и не се добавят прекомерни механични вибрации към чувствителната оптика. Тези две спецификации бяха особено предизвикателни, като се има предвид големият размер на Webb и физическото разположение на обсерваторията, което наложи разпределянето на криоохладителите в три различни области на космическия кораб, всяка с различни топлинни режими при управление.

Диаграма на оформлението на криоохладителя на Webb. Регион 3 има компресорите и управляващата електроника, Регион 2 покрива линиите на охлаждащата течност към арматурното табло, а Регион 1 е студеният край във фокалната равнина. Източник. GAO чрез НАСА

Най-горещият регион, обозначен като Регион 3, се намира в космическия автобус. Той е от топлата страна на козирката, което означава, че може да очаква да види температури до около 300K. Сглобката, която е монтирана в този регион, се състои главно от комплекта на компресора на криоохладителя (CCA) и свързаната с него управляваща електроника. CCA е “предварителен охладител” за цялата система, използвайки дизайн на тристепенна импулсна тръба за достигане на температури от приблизително 18 K. Криоохладителите с импулсна тръба нямат движещи се части, освен буталата, използвани за генериране на вълни на налягане, което прави те са отлични за приложения с ниски вибрации като това.

Процесът на импулсно тръбно охлаждане разчита на термоакустика за пренос на топлина. В термоакустиката се създава стояща вълна в работен газ (хелий в случая на криоохладителя на Уеб) в запечатана тръба. Пореста тапа, наречена регенератор или рекуператор, е вътре в тръбата, близо до един от възлите на стоящата вълна. Тъй като работният газ се компресира и разширява, през регенератора се установява температурен градиент. Горещият край на импулсната тръба излъчва топлина в пространството чрез радиатор, докато студеният край се използва за отстраняване на топлина от топлообменник със затворен контур, също зареден с хелий. Видеото по-долу представя отлична демонстрация на принципа на термоакустично охлаждане.

Охладен хелий, сега на около 18 K, влиза в зона 2, която е в кулата, която поддържа основното огледало на Webb. Температурата в този регион е между 100 К и почти 300 К и супер студеният хелий трябва да премине през около два метра тръба, за да достигне до инструментите във фокуса на телескопа. нежелан пренос на топлина.

В края на пътуването си през Зона 2, хладилният агент достига сърцето на Зона 1 – фокалната равнина на самата MIRI. Тази област вече е на около 40K благодарение на стъпките за пасивно охлаждане, описани по-рано, но за да доведе хладилния агент до крайната му температура от 6K, той преминава през това, което се нарича Joule-Thomson клапан. JT клапанът използва ефекта на Джоул-Томпсън за допълнително охлаждане на работния флуид с хелий.

Криоохладителят на Уеб след тестване. Сребърните цилиндри отляво съдържат хоризонтално противоположния двубутален компресор, докато черната кула съдържа импулсната тръба и регенератора. Клапанът на Джоул-Томпсън не е показан. Източник: НАСА/JPL

Джоул-Томсън казва, че когато налягането на газа се намали, неговата температура също се намалява. Това е нещо, което всички сме виждали преди, например когато се образува скреж от външната страна на въздушна бомба или облак от водни капчици, който се образува, когато въздушно оръдие изстреля снаряд във въздуха. В агрегата за студена глава (CHA) на Webb вътре в MIRI, специален клапан позволява внезапно намаляване на налягането на свръхстудения хелий, падайки го до около 6 K и охлаждайки меден блок, върху който са монтирани MIRI сензори. Хелият се връща през JT клапана и обратно по тръбата към CCA, в система със затворен контур.

Досега криоохладителната система на Webb постига всичките си цели и удовлетворява MIRI. Към момента на писането на това писане температурата във фокалната равнина на MIRI е постоянно под зададената точка от 7 K в продължение на повече от 14 дни, като други почти IR инструменти се държат доста под целта си от 40 K. Надяваме се, че ще видим резултатите от тези инструменти скоро.

И само за протокола, най-студеното естествено място в Слънчевата система всъщност може да са „кратери с двойна сянка“ на южния полюс на Луната, само на 25 К. Горкият Плутон – никога никакво уважение.

Add Comment