[论文解读] Submillimeter telescope for the Russian segment of the ISS: Submillimetron Project

V. Gromov, L. S. Kuzmin+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2001

Superconducting and THz Device Technology被引用 6

一句话总结

Submillimetron项目提出了一项基于国际空间站俄罗斯舱段的自由飞行亚毫米波与红外空间望远镜计划，配备60厘米冷却主镜和新型正常金属热电子型测辐射热计（NHEB），并将其冷却至0.1 K。该设计在约1 THz频段实现背景极限灵敏度，可实现角分辨率1角分的全天巡天，灵敏度达3–12 mJy，其亚毫米波巡天灵敏度较以往任务提升一个数量级以上。

ABSTRACT

The Submillimetron is the international project of the space telescope for astronomical studies at the submillimeter and infrared wavelengths using facilities of the Russian segment of the International Space Station (ISS). The concept of the telescope includes a 60 cm mirror cooled to liquid helium temperature with a novel type of microbolometers arrays using effects of superconductivity. This combination gives unique possibility to realize background limited sensitivity in the spectral minimum of the extraterrestrial background near frequency 1 THz between peaks of galactic dust emission and CMB. The angular resolution about 1 arcmin, field of view about 1 degree, and optics are similar to IRAS satellite, but the sensitivity is better on more than order of magnitude for about 10^-18 W/Hz^-1/2. This improvement and another spectral region permits to reveal in full sky survey considerably more new astrophysical objects. The concept of free flying instrument with periodic docking to ISS gives possibility to combine low cost with reliability, refilling, repairment and maintenance.

研究动机与目标

• 利用国际空间站俄罗斯舱段开发一种低成本、高可靠性和可维护的亚毫米波与红外天文空间望远镜。
• 通过将60厘米冷却望远镜与在0.1 K下工作的新型NHEB测辐射热计相结合，在约1 THz的亚毫米波段实现背景极限灵敏度。
• 以1角分角分辨率开展亚毫米波源的全天巡天，显著提升混淆极限下的源探测能力，优于以往任务。
• 在太空中测试并验证先进NHEB测辐射热计的可行性，为未来类似Millimetron的低温望远镜提供技术验证路径。
• 在亚毫米波与红外波段研究宇宙学背景各向异性、活动星系核、星际尘埃及宇宙冷物质。

提出的方法

• 望远镜采用卡塞格林光学系统，通过多级制冷（包括辐射冷却、主动冷却和液氦储存）将温度冷却至5 K。
• 利用毫开尔文冷却器（mKC）将测辐射热计冷却至0.1 K，最大限度降低热噪声，使灵敏度接近地外背景极限。
• 仪器采用正常金属热电子型测辐射热计（NHEB），配备亚微米级传感器和基于SQUID的读出系统，实现对亚毫米波辐射的低噪声探测。
• 使用双色分束器将亚毫米波与红外信号分离，并分别引导至针对各波段优化的专用探测器阵列。
• 望远镜通过基于进步货运飞船模块的自由飞行航天器从国际空间站部署，支持定期对接以进行维护和升级。
• 设计中包含大型反射式、冷却型遮阳罩，以屏蔽地球红外辐射和污染对光学系统的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于0.1 K冷却的NHEB测辐射热计的自由飞行亚毫米波望远镜能否在1 THz频段实现背景极限灵敏度？
• RQ2 在国际空间站上使用60厘米冷却望远镜，其全天巡天的最大灵敏度与角分辨率可达多少？与IRAS和ISO等以往任务相比有何提升？
• RQ3 采用模块化、可对接的航天器平台是否能降低任务成本、提高可靠性，同时支持在轨维护与仪器升级？
• RQ4 NHEB测辐射热计的宽工作温区与电子冷却机制相比TES测辐射热计，在高背景亚毫米波环境中如何提升性能？
• RQ5 在1角分角分辨率下进行高灵敏度亚毫米波巡天，能在多大程度上改善对冷星际尘埃、活动星系核及宇宙学源的探测与表征？

主要发现

• Submillimetron望远镜在亚毫米波段的积分时间1秒内达到3–12 mJy的灵敏度，较以往任务提升一个数量级以上。
• 实验中NHEB测辐射热计的NEP（等效噪声功率）为5×10⁻¹⁸ W/Hz¹/²，受限于放大器噪声；在0.1 K下热涨落噪声低至2×10⁻¹⁹ W/Hz¹/²。
• 望远镜的角分辨率为1角分至10角分，视场为1°，可实现高分辨率全天巡天。
• 系统的灵敏度仅受1 THz附近谱段最小值处的地外背景限制，该区域介于银河系尘埃辐射与宇宙微波背景之间。
• 基于进步模块的自由飞行航天器设计实现了低成本部署、在轨维护与潜在升级（包括未来3.5米主镜），具有高度可行性。
• 通过大型冷却反射式遮阳罩与多级冷却设计，成功抑制了热辐射与污染影响，确保0.1 K探测器稳定运行。