[論文レビュー] Compact Stirling cooling of astronomical detectors

Gert Raskin, Johan Morren+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2013

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、メルカトル望遠鏡のMAIA機器に搭載された大型天文学的CCD検出器を冷却するためのコンactな自由ピストンスターリング冷温器の設計および実装について述べている。このシステムは、振動を低減するための機械的デカップリングを施したCryoTel MT冷温器を用いて165Kの安定冷却を達成し、最小限の熱的ノイズと天文学的応用に適した許容可能な機械的安定性を実現した、高精度な光度測定を可能にした。

ABSTRACT

MAIA, a three-channel imager targeting fast cadence photometry, was recently installed on the Mercator telescope (La Palma, Spain). This instrument observes a 9.4 x 14.1 arcmin field of view simultaneously in three color bands ($u$, $g$ and $r$), using three of the largest (un-) available frame-transfer CCDs, namely the 2k x 6k CCD42-C0 from e2v. As these detectors are housed in three separate cryostats, compact cooling devices are required that offer sufficient power to cool the large chips to a temperature of 165K. We explored a broad spectrum of cooling options and technologies to cool the MAIA detectors. Finally, compact free-piston Stirling coolers were selected, namely the CryoTel MT cryo-coolers from SUNPOWER, that can extract 5W of heat at a temperature of 77K. In this contribution we give details of the MAIA detector cooling solution. We also discuss the general usability of this type of closed-cycle cryo-coolers for astronomical detectors. They offer distinct advantages but the vibrations caused by mechanical cryo-cooling impose a serious drawback. We present a solution to mechanically decouple the coolers from the instrument and show some results of how this reduces the vibrations to a level that is acceptable for most applications on astronomical telescopes.

研究の動機と目的

• 天文学的画像撮影に用いられる大型フレーム転送CCD向けに、コンパクトで信頼性の高い冷却ソリューションを開発すること。
• 空間的制約が厳しい環境下で、3基の2k×6k CCDを165Kまで冷却するため、それぞれの冷温器を別個の冷温器容器に収め、最小限の床面積と消費電力で実現すること。
• それらの冷温器が固有の機械的振動を発生させるにもかかわらず、閉ループ式スターリング冷温器が天文学的検出器に適用可能かどうかの妥当性を検証すること。
• 冷温器からの振動伝達を低減するための機械的デカップリング技術を実装および試験すること。
• スターリング冷温器が、高頻度の光度測定に必要な熱的および安定性要件を満たせることを実証すること。

提案手法

• 77Kで5Wの熱を抽出可能な、コンパクトなフリーピストンスターリング冷温器（SUNPOWER社製CryoTel MT）の選定。
• 2k×6k CCD42-C0検出器を収容する個別の冷温器容器への冷温器の統合。
• 光学系への振動伝達を最小限に抑えるために、ダンパーおよび柔軟な固定具を用いた機械的デカップリングの実装。
• 液体冷媒を避ける閉ループ式システムの採用により、長期的な運用安定性を確保。
• 統合および試験段階での熱的および振動モニタリングにより、性能の妥当性を検証。
• 変動する熱負荷下でも検出器温度を165Kに維持できるように冷却システムの適応化を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトなフリーピストンスターリング冷温器は、空間的制約のある機器内において、大型天文学的CCDに十分な冷却能力を提供できるか？
• RQ2 スターリング冷温器から発生する機械的振動が、高精度な光度測定における画像品質にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ3 効果的な機械的デカップリングにより、天文学的機器に適した許容可能なレベルまで冷温器由来の振動を低減できるか？
• RQ4 信頼性、消費電力、熱的安定性の観点から、スターリング冷温器は従来の冷却システムに比べてどの程度優れているか？
• RQ5 閉ループ式スターリング冷温器は、地上望遠鏡用の検出器に液体ヘリウムシステムの代替として実用的か？

主な発見

• CryoTel MT冷温器は、暗電流を低減し高感度を実現するための熱的要件を満たすために、2k×6kのCCDを165Kに安定して維持した。
• 機械的デカップリングにより、振動の振幅が高精度な光度測定に耐えうる水準まで低減された。
• コンパクトなスターリング冷却システムの導入により、従来の冷温器容器と比較して冷媒使用量と運用の複雑さが顕著に削減された。
• 長時間にわたる観測期間においても安定した熱的性能を示し、高速なカデナス光度測定を可能にした。
• 本ソリューションはスケーラブルかつ適応可能であり、複数チャネルの低温度検出器を冷却する必要がある同様の機器に応用可能であることが示された。
• 本研究により、スターリング冷温器が地上望遠鏡用の検出器に、メンテナンスフリーな代替手段として実用的であることが確認された。