Криокулер Уэбб/НАСА

Охлаждающее устройство для инструмента среднего инфракрасного диапазона, или MIRI, одного из четырех инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба. Для MIRI требуется более низкая рабочая температура, чем для других приборов Уэбба. Криокулер соответствует этому требованию. Изображение: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорния.

Будучи чрезвычайно чувствительной инфракрасной астрономической обсерваторией, оптика и научные инструменты космического телескопа Джеймса Уэбба должны быть холодными, чтобы подавить инфракрасный фоновый «шум». Более того, для правильной работы детекторы внутри каждого научного прибора, которые преобразуют сигналы инфракрасного света в электрические сигналы для обработки изображений, должны быть холодными. Обычно, чем длиннее длина волны инфракрасного света, тем холоднее должен быть детектор для такого преобразования, а также ограничивается генерация случайных «шумовых» электронов.

Три из четырех научных инструментов Уэбба «видят» как самый красный видимый свет, так и ближний инфракрасный свет (свет с длиной волны от 0,6 до 5 микрон). Эти приборы имеют детекторы, изготовленные на основе ртути-кадмия-теллурида (HgCdTe), которые идеально работают для Уэбба при температуре 37 кельвинов. Мы можем обеспечить им такой холод в космосе «пассивно», просто благодаря конструкции Уэбба, которая включает в себя солнцезащитный козырек размером с теннисный корт.

Однако четвертый научный инструмент Уэбба, прибор среднего инфракрасного диапазона, или MIRI, «видит» свет среднего инфракрасного диапазона (MIR) на длинах волн от 5 до 28 микрон. По необходимости детекторы MIRI имеют другой состав (кремний, легированный мышьяком (Si:As)), который для правильной работы должен иметь температуру менее 7 Кельвинов. Такая температура на Уэббе невозможна только пассивными средствами, поэтому Уэбб носит с собой «криоохладитель», предназначенный для охлаждения детекторов MIRI.

−

На этом изображении показано охлаждающее устройство для инструмента среднего инфракрасного диапазона, или MIRI, одного из четырех инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба. Эта фотография была сделана после завершения испытаний криокулера и вынута из испытательной камеры для подготовки к помещению в транспортный контейнер. Изображение: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорния.

Инструмент МИРИ. MIRI работает при температуре не более 6,7 градусов выше абсолютного нуля или минус 448 градусов по Фаренгейту. Фото: НАСА/Крис Ганн.

Электроника криокулера во время испытаний. Изображение: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорния.

Криокулер Уэбба усовершенствовал современное состояние криорефрижераторов для космических полетов этого класса мощности и температуры по двум направлениям:

Более того, одним из самых сложных требований к криокулерам является низкий уровень вибрации. Уровни вибрации должны быть очень низкими, чтобы исключить дрожание (вызванное дрожание) оптики и, как следствие, размытие изображения. Охлаждение импульсной трубки в предварительном охладителе в CCA и охлаждение на основе эффекта Джоуля-Томсона в CHA не имеют движущихся частей. Единственными движущимися частями криокулера являются два 2-цилиндровых горизонтально-оппозитных поршневых насоса в CCA, а благодаря наличию горизонтально-оппозитных поршней, которые точно сбалансированы, настроены и движутся практически в идеальном противоположном направлении, вибрация в основном нейтрализуется и, таким образом, сводится к минимуму. .

Дополнительную информацию см. в тематической статье о MIRI и криорегуляторе на сайте NASA.gov.

Компрессорный блок криокулера. На этой фотографии показан летный криокулер, установленный «вверх ногами» в вакуумной камере для испытаний перед закрытием камеры. Изображение: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорния.

Криокулер Webb MIRI по сути представляет собой сложный холодильник, части которого разбросаны по всей обсерватории. Основной деталью является узел компрессора криокулера (CCA). Это тепловой насос, состоящий из предварительного охладителя, который генерирует около 1/4 Вт охлаждающей мощности при температуре около 14 Кельвинов (с использованием газообразного гелия в качестве рабочей жидкости), и высокоэффективного насоса, который циркулирует хладагент (также газообразный гелий), охлаждаемый за счет теплопроводности с помощью предварительного охладителя. в МИРИ. Предварительный охладитель оснащен двухцилиндровым горизонтально-оппозитным насосом и охлаждает газообразный гелий с помощью импульсных трубок, которые акустически обмениваются теплом с регенератором. Высокоэффективный насос представляет собой еще одно двухцилиндровое горизонтально-оппозитное поршневое устройство, которое циркулирует другую порцию газообразного гелия отдельно от гелия в предварительном охладителе.