超流氦冷却的红外望远镜低温系统

　　1　空间红外探测技术

　　自从1969年美国“阿波罗号”宇宙飞船登上月球,世界各国在宇宙探索这一领域竞相做出令人瞩目的成就,但视野总是脱离不了地球、太阳系和银河系。要探测银河深处或银河以外的天体,提高探测精度,必须使用红外甚至远红外探测技术。

　　红外探测技术即接收各种宇宙物质形态红外波段内的辐射,对采集到的光信号进行分析、研究,以获得所感兴趣的宇宙信息。如1998年最新资料显示, NASA于2001年12月将要发射的空间红外天文望远镜SIRTF会在3.5～160μm的红外波段内进行观测,目的是研究行星形成前后的碎片盘、棕色漂移、超行星、超亮星系以及原始宇宙等这几项尖端课题^[1] 。

　　2　红外探测技术的要求

　　卫星的在轨高度是对红外探测的要求之一。由于地球上方覆盖着厚厚的一层大气,其组分中的氧气、臭氧、水蒸气、二氧化碳、一氧化氮、甲烷等对来自外太空的红外辐射有着强烈的反射、散射和吸收作用,所以一般不宜在地面上进行红外探测,而是将观察站设置于卫星上。卫星的在轨高度越高,越是能减少大气对红外辐射的阻挡,获得高精度、高品质的探测信息。另外,提高在轨高度,还具有减少地球辐射,提高绝热性能,减轻液氦容器的质量,延长探测寿命等一系列作用。

　　严格的低温工作环境是对红外探测的要求之二。在深冷的太空中,能定义天体物质性质的是其辐射出的红外波段信息,那么自然要求接收此信息的一系列仪器设备的温度也尽可能低,否则高温设备本身的热辐射就会干扰信息的采集。红外探头的工作温度越低越好,这样可以最大限度的减少外界其他热辐射的干扰,降低探测的背景噪声,获取分辨率较高的探测精度。

　　表1示出的是日本1995年发射的红外太空望远镜IRTS上携带的四种焦平面仪器的详细资料^[2] 。这四种红外探测元件均要求冷却到2 K以下,其中的探头FIRP还要求使用3He-4He稀释制冷机进一步冷却到0.25 K才能进行正常的工作。这两年来,处于世界领先水平的国家对红外探测元件的温度要求又有新的提高, SIRTF中红外探头温度一般都在1.4K以下。

　　由上可见,进行空间红外探测必须满足在轨高度及低温环境两方面的要求,而其中尽可能低的探头温度是取得高精度数据的关键之处,所以一般都选择超流氦来冷却红外光学探测系统。

　　3　超流氦红外冷却的优点

　　首先,当温度降至2.172 K以下时,常规液氦(HeⅠ)转变为超流态液氦(HeⅡ),其热物理性质发生了极大的变化。温度低、导热性能高、液体内部的温度分布极其均匀、单位体积的冷却性能又是最高的。所以首推超流氦为红外系统的冷却剂,事实也证明将光学系统冷却到液氦温区确实能最大限度的降低其他各种热辐射的干扰[3]。