在过去三个月的大部分时间里,中红外仪器(MIRI)和韦伯的其他仪器一直在通过向黑暗的太空辐射热能来冷却。近红外仪器将在大约34到39开尔文的温度下工作,被动冷却。但是MIRI的探测器需要更低的温度才能探测到波长更长的光子。这就是MIRI低温冷却器的用武之地。

根据需要,MIRI探测器使用了一种特殊的掺砷硅(Si:As)配方制造,需要在低于 7 开尔文的温度下才能正常工作。仅靠被动方式是不可能达到如此低的温度,因此韦伯携带了一个专门用于冷却MIRI探测器的“低温冷却器”。
图片来源:NASA/JPL-Caltech。

“在过去的几周里,低温冷却器一直在通过MIRI光学平台循环冷氦气,这将帮助MIRI冷却到大约15开尔文。很快,低温冷却器将经历其任务中最具挑战性的几天。操作低温阀门时,低温冷却器将改变循环氦气的方向,迫使其通过流量限制器。当气体脱离限制时就会膨胀,温度会降低,然后可以将MIRI探测器的工作温度降至低于7开尔文的低温。但首先,低温冷却器必须通过“夹点”——在接近15开尔文的温度范围内过渡,此时低温冷却器的散热能力最低。将快速连续执行几个时间关键型阀门和压缩机操作,并根据MIRI制冷机温度和流量测量结果进行调整。特别具有挑战性的是,在流向改变之后,随着温度的降低,冷却能力会变得更好。另一方面,无法立即实现冷却,大于模拟热负荷,MIRI将开始升温。

“一旦制冷机克服了剩余的热负荷,它将在余下的任务中进入低功率稳定科学运行状态。在NASA喷气推进实验室(JPL)的低温器试验台上,以及在NASA戈达德太空飞行中心和约翰逊太空中心进行的韦伯测试中,我们已经广泛地实践了夹点事件。”在轨道上进行的操作将由来自喷气推进实验室、戈达德和空间望远镜科学研究所的人员组成的操作团队支持。MIRI低温冷却器由诺斯罗普·格鲁曼空间系统公司开发。MIRI是NASA和ESA(欧洲航天局)50/50的合作伙伴关系,喷气推进实验室领导美国的努力,欧洲天文机构的跨国联盟为ESA贡献。”

——NASA喷气推进实验室低温冷却器专家康斯坦丁·佩纳宁和布雷特·内勒

“与韦伯的其他仪器相比,MIRI在更长的红外波长下工作,而其他仪器都以‘近红外’的‘N’开头。MIRI将支持仪器套件探索红外宇宙,其深度和细节远远超出天文学家迄今为止所能获得的任何信息。”

“该成像仪有望揭示从附近的星云到遥远的相互作用星系的天文目标,其清晰度和灵敏度远远超出我们以前所见。我们对这些闪闪发光的科学宝藏的掌握依赖于MIRI使用其专用冰箱冷却到低于天文台其他部分的温度。温度与地球相似的系外行星将在中红外光下最亮。因此,MIRI配备了四台日冕仪,这些日冕仪经过精心设计,可以在母星的强光照射下探测此类行星。然后可以通过 MIRI 的两个光谱仪测量外巨行星(类似于我们自己的木星)的详细颜色,以揭示其大气中气体(包括水、臭氧、甲烷、氨等)的化学特性、丰度和温度。

2012年,MIRI在马里兰州绿带NASA戈达德航天飞行中心的巨大洁净室接受检查。
图片来源:NASA/Chris Gunn.

“为什么要这么冷呢?MIRI最先进的光敏探测器可以在中红外波段工作,除非它们冷却到7开尔文以下(-266摄氏度,或-447华氏度),否则光敏探测器什么都看不到。相比之下,标准家用冰箱将其内容物冷却到约255开尔文(-18摄氏度,或-0.7华氏度)。在更高的温度下,任何可能从天空检测到的信号都会在其内部产生的“暗电流”信号之下丢失。即使探测器被冷却,如果它们的温度超过15开尔文(-258摄氏度,或-433华氏度)韦伯的图像仍然会被MIRI自己的镜子和铝结构发出的热红外光所淹没。工程上的解决方案是将MIRI从韦伯主镜后面的仪器安装结构隔开,就像一个高科技的金属蜘蛛挂在六个碳纤维支架上。这些将 MIRI与温度高得多的望远镜(45开尔文,或-228摄氏度/-379华氏度,属于更高的温度)隔离开来。该仪器的主体还包裹在一层光亮的镀铝隔热毯中,它可以反射周围环境的辐射热。

“在MIRI团队真正放松之前,让这台仪器冷却是韦伯面临的最后一个重大挑战之一,而通过冷却器的‘夹点’将是这项挑战中最艰巨的一步。届时,MIRI冷却器将把三个月前上午在热带地区发射的100公斤(220磅)金属和玻璃中剩下的热量几乎全部排出。MIRI将是韦伯观测宇宙的四种仪器中的最后一种。”

——英国天文技术中心韦布·米里仪器科学家阿利斯泰尔·格拉斯以及欧空局MIRI仪器和校准科学家马卡雷纳·加西亚·马林

参考来源:
https://blogs.nasa.gov/webb/2022/04/06/webbs-mid-infrared-instrument-cooldown-continues/

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