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。