[论文解读] 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 3

一句话总结

本文介绍了为玛格丽特望远镜上的MAIA仪器中大型天文CCD探测器进行冷却的紧凑型自由活塞斯特林制冷机的设计与实现。该系统通过机械隔振技术减轻振动，利用CryoTel MT制冷机将温度稳定冷却至165K，实现了低热噪声的高性能测光，且机械稳定性可接受，适用于天文应用。

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.

研究动机与目标

• 为天文成像中使用的大型帧转移CCD开发一种紧凑且可靠的冷却解决方案。
• 解决在空间受限条件下，将三个2k×6k CCD冷却至165K并分别置于独立杜瓦瓶中的问题，实现最小化占地面积和功耗。
• 评估闭环斯特林制冷机在存在固有机械振动的情况下，是否适用于天文探测器。
• 实施并测试机械隔振技术，以减少振动向光学系统传递。
• 证明斯特林制冷机能够满足高时间分辨率测光观测对热性能和稳定性要求。

提出的方法

• 选择具备在77K下提取5W热量能力的紧凑型自由活塞斯特林制冷机（CryoTel MT，SUNPOWER公司产品）。
• 将制冷机集成至容纳2k×6k CCD42-C0探测器的独立杜瓦瓶中。
• 通过隔振器和柔性安装方式实现机械隔振，最大限度减少振动向光路的传递。
• 采用闭环系统以避免使用低温液体，确保长期运行稳定性。
• 在集成与测试过程中进行热学与振动监测，以验证性能表现。
• 对冷却系统进行适应性调整，确保在不同热负载条件下探测器温度稳定维持在165K。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑型自由活塞斯特林制冷机能否在空间受限的仪器中，为大型天文CCD提供足够的冷却功率？
• RQ2 斯特林制冷机产生的机械振动在多大程度上会降低高精度测光中的图像质量？
• RQ3 有效的机械隔振技术能否将制冷机引起的振动降低至天文仪器可接受的水平？
• RQ4 在可靠性、功耗和热稳定性方面，斯特林制冷机与传统低温系统相比表现如何？
• RQ5 闭环斯特林制冷机是否可作为地面天文探测器中液氦系统的可行替代方案？

主要发现

• CryoTel MT制冷机成功将2k×6k CCD维持在165K，满足了低暗电流和高灵敏度的热学要求。
• 机械隔振技术将振动幅度降低至适合高精度测光测量的水平。
• 与传统杜瓦瓶相比，紧凑型斯特林系统显著减少了低温液体的使用和运行复杂性。
• 系统在长时间观测期间表现出稳定的热性能，支持高时间分辨率测光。
• 该解决方案具有良好的可扩展性和适应性，适用于需要多通道、低温探测器冷却的类似仪器。
• 本研究证实，斯特林制冷机是地面天文探测器中液氦系统的可行、免维护替代方案。