極低温冷却器ウェッブ/NASA

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の 4 つの機器のうちの 1 つである中赤外線機器 (MIRI) の冷却装置。 MIRI はウェッブの他の機器よりも低い動作温度を必要とし、極低温冷却器はこの要件に対応します。 画像: NASA/JPL-カリフォルニア工科大学

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は非常に高感度の赤外線天文台であるため、赤外線背景の「ノイズ」を抑制するために光学系と科学機器を低温にする必要があります。 さらに、各科学機器内の検出器は、赤外光信号を電気信号に変換して画像に処理するため、適切に動作するために低温である必要があります。 一般に、赤外光の波長が長ければ長いほど、ランダムな「ノイズ」電子の生成を制限しながら、この変換を行うために検出器をより低温にする必要があります。

ウェッブ社の 4 つの科学機器のうち 3 つは、最も赤い可視光と近赤外光 (0.6 ミクロンから 5 ミクロンの波長の光) の両方を「見る」ことができます。 これらの機器には、水銀カドミウムテルル化物 (HgCdTe) で配合された検出器が搭載されており、37 ケルビンでのウェッブにとって理想的に機能します。 テニスコートほどの大きさの日よけを備えたウェッブの設計のおかげで、私たちは宇宙でこれほど寒くすることができます。

しかし、ウェッブ氏の 4 番目の科学機器である中赤外機器 (MIRI) は、5 ～ 28 ミクロンの波長の中赤外 (MIR) 光を「認識」します。 必然的に、MIRI の検出器は異なる配合 (ヒ素ドープ シリコン (Si:As)) となり、適切に動作するには 7 ケルビン未満の温度にする必要があります。 この温度はウェッブでは受動的手段だけでは不可能であるため、ウェッブは MIRI の検出器を冷却する専用の「極低温冷却器」を搭載しています。

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この画像は、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の 4 つの機器のうちの 1 つである中赤外線機器 (MIRI) の冷却装置を示しています。 この写真は、極低温冷却器のテストが完了した後に撮影され、輸送用コンテナに入れる準備としてテスト チャンバーから取り出されたものです。 画像: NASA/JPL-カリフォルニア工科大学

MIRI 機器。 MIRI は絶対零度より 6.7 度以下、つまり華氏マイナス 448 度以下の温度で動作します。 クレジット: NASA/クリス・ガン

テスト中のクライオクーラーエレクトロニクス。 画像: NASA/JPL-カリフォルニア工科大学

ウェッブ社の極低温冷却器は、この出力および温度クラスの宇宙飛行用極低温冷却器の最先端を 2 つの方法で進歩させました。

さらに、極低温冷却器の最も難しい要件の 1 つは低振動です。 光学系のジッター (誘発された揺れ) とその結果として生じる画像のぼやけを防ぐには、振動レベルを非常に低くする必要があります。 CCA のプリクーラーでのパルス管冷却と CHA でのジュールトムソン効果冷却には可動部品がありません。 極低温冷却器内の唯一の可動部品は、CCA 内の 2 つの 2 気筒水平対向ピストン ポンプです。水平対向ピストンが微妙なバランスで調整され、ほぼ完全に反対方向に動くことにより、振動はほとんど相殺され、最小限に抑えられます。 。

詳細については、NASA.gov の MIRI および極低温冷却器に関する特集記事を参照してください。

クライオクーラーコンプレッサーアセンブリ。 この写真は、真空チャンバーが閉じられる前に、試験のために真空チャンバー内に「逆さま」に設置された飛行用極低温冷却器を示しています。 画像: NASA/JPL-カリフォルニア工科大学

Webb MIRI 極低温冷凍機は、基本的には、天文台全体に分散された部品を備えた洗練された冷蔵庫です。 主要な部品はクライオクーラー コンプレッサー アセンブリ (CCA) です。 約14ケルビンで約1/4ワットの冷却能力を発生するプレクーラー(作動流体としてヘリウムガスを使用)と、プレクーラーで伝導冷却された冷媒(ヘリウムガスも含む)を循環させる高効率ポンプからなるヒートポンプであり、みりさんへ。 予冷器は2気筒の水平対向ポンプを備え、蓄冷器と音響的に熱交換するパルス管を用いてヘリウムガスを冷却します。 高効率ポンプは、予冷器のヘリウムとは別に別のバッチのヘリウム ガスを循環させる、別の 2 シリンダーの水平対向ピストン デバイスです。

CCAは宇宙船バスの中心部、天文台の太陽に面する「暖かい」側に位置し、冷たいヘリウムガスを予冷し、配管を通じて統合科学機器モジュール内で約10メートル離れたMIRIに送り込む。 (ISIM)。 CCA は、宇宙船バスの左舷側機器パネル内に取り付けられた電子ボックスの集合体である極低温冷却器制御電子アセンブリ (CCEA) によって制御されます。 CCA は、クライオクーラー タワー アセンブリ (CTA) を介して ISIM に接続されます。CTA は、それぞれ直径約 2 ミリメートルの、金メッキされた一対のステンレス鋼管 (フィード ラインとリターン ライン) で、約 1 フィートごとに保持されています。天文台構造の外側に取り付けられた一連の繊細なサスペンション アセンブリ (冷媒ライン サポート、または RLS と呼ばれます)。 CTA は、ISIM 内にあるクライオクーラー コールドヘッド アセンブリ (CHA) と呼ばれるクライオクーラーの最後の部分に接続します。 CHA 配管内には、大きなコーヒー缶とほぼ同じサイズと形状の金メッキのシリンダーの中に、冷却されたヘリウム冷媒が通過する小さな (1 ミリメートル未満の) オリフィスがあり、その結果、ヘリウムガスが膨張し、最終的に冷却されます。約 6 ケルビンまで下げると、ジュールトムソン (JT) 効果に注意します。 この最も冷たい冷却ヘリウムガスは、さらに 2 ミリメートルのチューブを通って、MIRI 検出器の裏側に固定された手のひらサイズの銅ブロックに送られます。 ここでターゲットの熱が交換され、MIRI の検出器が名目上約 6.2 ケルビンまで冷却されます。 CHA には、天文台と MIRI がクールダウン モードにあるとき (配備および試運転中の打ち上げ直後など)、ヘリウムが JT 制限を回避できるようにするバルブも含まれています。 CCA、CTA、CHA チューブは、外側が自動車の油圧ブレーキ ライン接続に似た 7/16 インチの継手のペアで接続されています。