最高に寒い: ウェッブ望遠鏡の極低温冷却器

太陽系で最も寒い場所の名前を尋ねられたら、システムのすべてのエネルギーの究極の源である太陽からできるだけ遠く離れた場所にあると思う可能性が非常に高いです。 熱いものから遠ざかるほど、熱はさらに広がります。 したがって、惑星かどうかにかかわらず、冥王星が記録的な低温の原因となる可能性があります。

しかし、冥王星が 40 ケルビンまで冷えるのと同じくらい、それよりもはるかに寒くて、逆説的ですが、家の近くにある場所があります。 実際、それはわずか約100万マイル離れたところにあり、現在、わずか6ケルビンに位置していますが、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に搭載された主要な機器の1つの焦点面にあるシリコンの塊により、冥王星の表面は実に穏やかに見えます。 。

ほんの数メートル離れたところで気温が 324 度 (123 度、51 度) という灼熱の気温であることを考えると、ウェッブの寒さの深さはさらに驚くべきものです。 ウェッブの冷却システムの仕組みとその理由には、興味深いエンジニアリングの豆知識がぎっしりと詰まっており、世界最新の宇宙望遠鏡が観測に向けて準備を整えている今、詳しく調べる価値があります。

おそらく、宇宙の極低温冷却器に関する最初の最も明白な疑問は、「一体なぜウェッブには極低温冷却器が必要なのだろうか?」ということでしょう。 宇宙、特にラグランジュ点 L2 の周りのウェッブのハロー軌道の周囲の領域は、すでに十分に寒くなっているのではないでしょうか? 一言で言えば、いいえ、ウェッブの赤外線天文学用に設計された機器では、宇宙は十分に寒いとは言えません。 しかし、赤外線天文学の何が特別で、なぜこれほど低い温度が必要なのでしょうか?

後にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡となるものは、初期の設計から常に赤外線望遠鏡として考えられていました。 これは、ウェッブが研究しようとしていた天体が宇宙最古の天体の一つであり、ハッブルの法則によると、天体が遠くになるほど、地球からの遠ざかる速度が速くなり、そこからの光は劇的に赤くなるということです。ドップラー効果のおかげでずれました。 これは、ウェッブが向けるほぼすべてのものからの光がスペクトルの赤外線部分のどこかにあることを意味します。 ウェッブの 4 つのイメージングおよび分光写真機器パッケージは、スペクトルの可視部分の端、波長約 0.6 μm から、波長約 28 μm の中赤外までをカバーできます。 参考までに、マイクロ波は約 100 μm の波長で始まるため、ウェッブが研究するように設計された光の周波数は、電磁スペクトルの無線部分をそれほど高くはありません。

赤外線天文学の問題は、光を拾うために使用されるセンサーが、赤外線領域で放射される周囲の熱によって簡単に圧倒されてしまうことです。 また、赤外線望遠鏡で使用される光センサーは、光が当たらない場合でもセンサー内に電流が流れる暗電流の影響を受けやすくなります。 暗電流は主にセンサー材料内の電子の熱刺激によって発生するため、センサーをできるだけ低温に保つことがノイズの低減に大いに役立ちます。

前述したように、Webb には 4 つの主要な楽器があります。 そのうちの 3 つ、近赤外線カメラ (NEARCam)、近赤外線分光器 (NEARSpec)、および精密誘導センサー、近赤外線イメージャおよびスリットレス分光器 (FGS-NIRISS) はすべて、赤外線の近赤外線部分で動作します。名前が示すように、スペクトル。 近赤外線は、スペクトルの可視部分のすぐ下、約 0.6 ～ 5.0 μm です。 これらの波長のセンサーは水銀、カドミウム、テルルの合金 (Hg:Cd:Te) を使用しており、使用するには約 70 ケルビンまで冷却する必要があります。

地球に設置された近赤外望遠鏡の場合、Hg:Cd:Te センサーの冷却は通常、液体窒素で行われます。 しかし、ウェッブでは、別のオプションが利用可能です。巨大な 5 層の日よけのおかげで、太陽のまぶしい光だけでなく、望遠鏡のハロー軌道のおかげで地球からの反射光からも天文台を保護します。ビューで。 ウェッブ社のアルミメッキされたカプトン サンシェードの層は、入射 IR が隣接する層の間で反射し、最終的には層を通って暗い側の敏感な光学系に到達するのではなく、サンシェードに対して多かれ少なかれ垂直な空間に放射されるように間隔をあけて配置されています。 サンシェードは、高温側で約 200 kW のエネルギーを受け取りますが、低温側には 23 mW しか通過させません。 これにより、機器は極寒の 40 K に保たれますが、これは 3 つの近赤外機器にとって十分に寒い温度です。

しかし、絶対零度より 40 ケルビン高くても、ウェッブの 4 番目の主要機器のセンサーにとってはまだ熱すぎます。 中赤外イメージャー (MIRI) は、5 ～ 28 μm の範囲で画像を取得し分光観測を行うように設計されており、近赤外イメージャーとはまったく異なるセンサーが必要です。 MIRI のセンサーは、Hg:Cd:Te ではなく、ヒ素ドープ シリコン (Si:As) をベースにしており、絶対零度に非常に近い (7 ケルビン未満) まで冷却する必要があります。

オリジナルのウェッブの設計では、MIRI に必要な超低温は、極低温物質である固体水素を入れたデュワー瓶によって提供される予定でした。 貯蔵極低温システムの選択は、当時 6 K に達する能力のある宇宙定格のアクティブ極低温冷却システムが未熟であることに基づいて行われました。 しかし、今や悪名高いウェッブの遅延により極低温冷却器技術の発展が可能となり、アクティブ極低温冷却器がもたらす軽量化を考慮すると、MIRI をより長く使用できる可能性は言うまでもなく、固体水素がすべて沸騰してしまうと装置は役に立たなくなります。極低温デュワーを置き換えることが決定されました。

もちろん、これにはエンジニアリング上の課題がなかったわけではありません。 その主なものは、出力と重量の制約内に収まり、敏感な光学系に過度の機械的振動を加えずに、目標温度に達する能力でした。 これらの仕様は両方とも、ウェッブの巨大なサイズと天文台の物理的なレイアウトを考慮すると特に困難であり、そのため極低温冷却器アセンブリを宇宙船の 3 つの異なる領域に分散させる必要があり、それぞれに対応する熱体制が異なりました。

領域 3 と指定される最も暖かい領域は、宇宙船バス内にあります。 サンシールドの高温側にあるため、温度は最大 300 K 程度になることが予想されます。 この領域に取り付けられるアセンブリは、主に極低温冷却器コンプレッサー アセンブリ (CCA) とそれに関連する制御電子機器で構成されます。 CCA はシステム全体の「プレクーラー」であり、3 段階のパルス チューブ設計を使用して約 18 K の温度を達成します。パルス チューブ クライオクーラーには、圧力波の生成に使用されるピストン以外に可動部品がないため、冷却に優れています。このような低振動アプリケーション。

パルスチューブ冷却プロセスは、熱音響学に依存して熱を伝達します。 熱音響学では、密封されたチューブ内の作動ガス (ウェッブ冷凍機の場合はヘリウム) 内に定在波が発生します。 再生器または復熱器と呼ばれる多孔質プラグは、定在波の節の 1 つの近くでチューブ内に設置されます。 作動ガスが圧縮および膨張すると、再生器全体に温度勾配が生じます。 パルスチューブのホットエンドはヒートシンクを介して熱を空間に放射し、コールドエンドは同様にヘリウムが充填された閉ループ熱交換器から熱を除去するために使用されます。 以下のビデオは、熱音響冷却の原理をわかりやすく示しています。

冷却されたヘリウムは約 18 K になり、ウェッブの主鏡をサポートするタワー内のゾーン 2 に入ります。 この領域の温度は 100 K からほぼ 300 K の間であり、超低温ヘリウムは望遠鏡の焦点にある機器に到達するために約 2 メートルの配管を通過する必要があるため、熱が入らないようにするために多大なエンジニアリングが費やされました。不要な熱伝達。

ゾーン 2 を通過する旅の終わりに、冷媒はゾーン 1 の中心、つまり MIRI 自体の焦点面に到達します。 このゾーンは、前述した受動的冷却ステップのおかげですでに約 40 K になっていますが、冷媒を最終温度 6 K まで下げるために、いわゆるジュール トムソン バルブを通過します。 JT バルブはジュール・トンプソン効果を利用してヘリウム作動流体をさらに冷却します。

ジュール・トムソンは、気体の圧力が低下すると、その温度も低下すると述べています。 これは、ほこりを払った空気缶の外側に霜が付くときや、空気大砲が発射体を空中に飛ばしたときに形成される水滴の雲など、誰もがこれまでに見たことのあるものです。 MIRI 内のウェッブのコールド ヘッド アセンブリ (CHA) では、特殊なバルブにより超低温ヘリウムの圧力が急激に低下し、約 6 K まで低下し、MIRI センサーが取り付けられている銅ブロックを冷却します。 ヘリウムは、閉ループ システムで JT バルブを通って配管を通って CCA に戻されます。

これまでのところ、Webb の極低温冷却システムはすべての成果を上げており、MIRI を満足させています。 この記事の執筆時点で、MIRI 焦点面の温度は 14 日間以上安定して 7 K 設定値を下回っており、他の近赤外測定器も 40 K 目標を大幅に下回っています。 これらの機器の結果がすぐに得られることを期待しています。

記録のために言っておきますが、太陽系で最も寒い自然の場所は、実際には月の南極にある、わずか25度の「二重影のクレーター」かもしれません。かわいそうな冥王星です。決して敬意を払うことはありません。