[논문 리뷰] Compact Stirling cooling of astronomical detectors

Gert Raskin, Johan Morren외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 04.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 메르카토르 망원경의 MAIA 기구에서 대형 천체 CCD 검출기를 냉각하기 위한 컴act한 자유피스톤 스틸링 냉각기의 설계 및 구현을 제시한다. 이 시스템은 기계적 분리 기술을 통해 진동을 완화함으로써 안정적인 냉각을 실현하여 165K까지 냉각되며, 천체 관측 응용 분야에서 최소한의 열 노이즈와 수용 가능한 기계적 안정성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 천체 영상에 사용되는 대형 프레임트랜스퍼 CCD를 위한 컴 pact하고 신뢰성 있는 냉각 솔루션을 개발하기 위해.
• 공간 제약이 심한 기구에서 3개의 2k×6k CCD를 별도의 냉각기구에 냉각하여 165K로 유지하면서 최소한의 면적과 전력 소비를 확보하기 위해.
• 자기 진동을 수반하는 폐쇄형 스틸링 냉각기가 천체 검출기용으로 적용 가능한지의 타당성을 평가하기 위해.
• 냉각기에서 발생하는 진동 전파를 줄이기 위한 기계적 분리 기술의 구현 및 시험을 위해.
• 스틸링 냉각기가 고주기 광도측정 관측에 필요한 열적 안정성과 요구 조건을 충족시킬 수 있는지 입증하기 위해.

제안 방법

• 77K에서 5W의 열을 제거할 수 있는 컴 pact한 자유피스톤 스틸링 냉각기(CryoTel MT, SUNPOWER)의 선택.
• 2k×6k CCD42-C0 검출기를 수용하는 개별 냉각기구에 냉각기 통합.
• 고정 구조물에 유연한 마운팅 및 격리 장치를 사용하여 광학계에 대한 진동 전파를 최소화하는 기계적 분리 기술 구현.
• 냉매를 사용하지 않고 장기적인 운영 안정성을 확보하기 위해 폐쇄형 시스템 사용.
• 통합 및 시험 기간 동안 열 및 진동 모니터링을 실시하여 성능 검증.
• 다양한 열 부하 조건에서도 검출기 온도를 165K로 유지하기 위해 냉각 시스템의 적응 조정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴 pact한 자유피스톤 스틸링 냉각기는 공간 제약이 심한 기구에서 대형 천체 CCD에 충분한 냉각력을 제공할 수 있는가?
• RQ2 스틸링 냉각기에서 발생하는 기계적 진동이 고정밀 광도측정의 영상 품질에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 효과적인 기계적 분리 기술이 냉각기에서 유발하는 진동을 천체 기구에 수용 가능한 수준으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 신뢰성, 전력 소비 및 열 안정성 측면에서 전통적인 냉각 시스템에 비해 스틸링 냉각기의 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 폐쇄형 스틸링 냉각기는 지상 천체 검출기용으로 액체 헬륨 시스템의 실질적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• CryoTel MT 냉각기는 2k×6k CCD를 165K로 안정적으로 유지하여 낮은 드래프트 전류와 높은 감도를 확보하는 열적 요구 조건을 충족시켰다.
• 기계적 분리 기술을 통해 진동 진폭이 고정밀 광도측정 측정에 적합한 수준으로 감소하였다.
• 컴 pact한 스틸링 시스템은 전통적인 냉각기구에 비해 냉매 사용과 운영 복잡성을 크게 줄였다.
• 장기간 관측 기간 동안 안정적인 열 성능을 보이며 고주기 광도측정을 지원하였다.
• 이 솔루션은 다중 채널, 저온 검출기 냉각이 필요한 유사 기구에 대해 확장 가능하고 적응 가능함을 입증하였다.
• 본 연구는 스틸링 냉각기가 지상 천체 검출기용으로 액체 헬륨 시스템에 비해 유지보수가 필요 없는 실질적인 대안임을 확인하였다.