Рефрижератор глубокого охлаждения субтерагерцевых детекторов для радиоастрономических исследований

Abstract

Описан криостат растворения, предназначенный для проведения в сумеречное время, когда наблюдение в оптическом диапазоне еще невозможно, работу в миллиметровом диапазоне на оптическом телескопе с зеркалом диаметром 6м. Криостат, охлаждающий детектор вплоть до температуры 0.1К, построен по схеме растворения ³He в ⁴He с циркуляцией ³He благодаря его конденсации на холодной стенке, охлаждаемой сорбционной откачкой чистого жидкого ³He из отдельного объема. Рабочие условия обеспечиваются контактом со стабилизирующим блоком, в котором накапливается 0.6 л жидкого ⁴He при активной работе рефрижератора Гиффорда–Мак-Магона за время между циклами измерений. Во время измерений рефрижератор выключается, что полностью исключает вибрации, мешающие измерениям.

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследования наземной астрономии в субтерагерцевом (субТГц) диапазоне частот проводят такие крупнейшие центры, как Европейская южная обсерватория [1] и Восточноазиатская обсерватория [2] В России развитие этого направления предусмотрено постановлением правительства № 3684р. В нем сформулированы актуальные задачи фундаментальной науки: исследование холодной Вселенной, реликтового излучения, межзвездных газовых облаков. Исследования в этой области могут способствовать решению задач в прикладных военных, промышленных и коммерческих проектах по развитию, например радиолокации и телекоммуникационных систем. Данный диапазон частот технически недостаточно освоен, практически отсутствуют адекватные задачам промышленные антенные системы, приемная аппаратура с шумами на уровне 10^–17 Вт/Гц^1/2 и ниже, оптические окна с подавлением инфракрасного излучения. Введение жестких санкционных ограничений требует развития отечественных научно-исследовательских работ в этом направлении.

Цель нашей работы – внести вклад в разработку первого прототипа Российской субТГц-обсерватории [3] на основе оптического Большого альт-азимутального телескопа (БТА) [4] Этот крупнейший в Евразии оптический телескоп расположен в месте с приемлемым астроклиматом на высоте 2070 м. Он обладает развитой инфраструктурой, квалифицированными научными и инженерными кадрами.

2. ПРЕДПОСЫЛКИ МИЛЛИМЕТРОВОЙ РАДИОАСТРНОМИИ В САО РАН

Среднеквадратичное отклонение (СКО) от заданной формы у шестиметрового зеркала БТА на два порядка превышает требования, предъявляемые к субТГц-антеннам. Предварительные исследования показали, что алюминиевое покрытие зеркала обеспечивает эффективное отражение до 94% мощности субТГц-сигнала, что позволит использовать его для субТГц-исследований [5].

Атмосфера Земли существенно поглощает субТГц-волны, и наземные наблюдения возможны только в узких окнах прозрачности для волн с длинами волн 0.8, 1.3, 2, 3 мм. Исследования в окнах 0.8 и 1.3 мм доступны для исследований в высокогорных пустынях, например в Чили, где расположен телескоп ALMA [1]. Проведенный в 2014 году цикл прямых измерений поглощения показал, что на площадке БТА можно наблюдать астрономические объекты в диапазонах 2–3 мм с общим поглощением в 0.1 Непер в зимний период в течение 60% времени, в переходный сезон – 45% времени и летом – около 7% времени [6]. Есть ограниченная возможность наблюдений в окне прозрачности 1.3 мм в холодные ясные периоды февраля-марта. но не для волн с длиной волны 0.8 мм. Оптический телескоп предназначен для проведения научных исследований в темное время суток, а субТГц-исследования можно проводить в предзакатное и рассветное время. Это увеличит эффективное время работы телескопа на 4–5 часов в сутки. Оптическая схема БТА позволяет выполнение наблюдений в первичном фокусе и в двух фокусах Несмита. Время перестройки оптической схемы составляет 3–4 минуты, что делает возможным в течение одной ночи вести наблюдения с помощью аппаратуры, установленной в разных фокусах телескопа.

В рамках реализации проекта разрабатывается приемная система, включающая высокочувствительный детектор – болометр на основе структуры сверхпроводник–изолятор–нормальный металл–изолятор–сверхпроводник (СИНИС), систему криостатирования с рабочей температурой ниже 0.3К, считывающую электронику и квазиоптическую систему согласования сигнала, полученного от телескопа с детектором.

3. КОНСТРУКЦИЯ КРИОСТАТА

При наземной радиоастрономии в субТГц-диапазоне частот мощность излучения, падающего на детектор, не превышает долей микроватта. Это позволяет использовать криостаты растворения малой производительности, в которых циркуляция ³He в контуре растворения, заполненном смесью ³He и ⁴He, осуществляется благодаря его конденсации в объеме, охлаждаемом сорберной откачкой чистого ³He [7, 8]. Эти приборы выполнены в виде вставки в сосуд с жидким гелием, что для использования на телескопе неудобно из-за проблем логистики. В работе [9] описан “сухой” криостат растворения, охлаждаемый импульсной трубой производства CRYOMECH, который послужил прототипом описываемого прибора. В этой работе использован двухступенчатый рефрижератор Гиффорда–МакМагона KDE412S2 CRYOCOOLER (CR) производства КНР. Этот рефрижератор имеет паспортную производительность второй ступени мощностью 1.35 Вт и температурой 4.2 К, что почти в 3 раза превышает производительность альтернативного варианта системы “сухого” предварительного охлаждения до температуры 4К так называемой импульсной трубой. Однако у него довольно высок уровень вибраций, которые можно радикально снизить, если на время измерений его выключать. В соответствии с предполагаемым графиком работы БТА режим работы криостата следующий:

• охлаждение узлов криогенного блока до температуры около 4К примерно за 9ч и конденсация гелия в ванну-стабилизатор за 4–5 ч и конденсацию ³Не за 1–2 ч при активной работе CR;
• остановка CR, охлаждение детектора до температуры на уровне 0.1 К и поддержание рабочих условий до 4–5 ч за счет испарения жидкого гелия из ванны-стабилизатора;
• повторный запуск CR. При этом затраты времени на охлаждение криогенных узлов исключены.

Упрощенная схема прибора представлена на рис. 1. В частности, не показаны контейнеры рабочих газов объемом 80 см³, в которых под давлением находятся около 5 л ⁴He, около 4 л ³He и около 1.2 л смеси, состоящей примерно из 35% ³He и 65% ⁴He. Контейнеры связаны соответственно с соберами ⁴He, ³He и конденсором блока смеси капиллярными трубками из нержавеющей стали.

Рис. 1. Схема низкотемпературной части криостата.

Первый этап работы прибора – это охлаждение при работающем CR стабилизатора и связанных с ним узлов до криогенных температур за 8–9 ч и затем набор в него (ожижение) примерно 0.6 л жидкого гелия из газгольдера (или баллона с гелием), рис. 2. Охлаждение осуществляется за счет конвекции гелия, охлаждаемого второй ступенью CR, связанной тонкостенной трубкой из нержавеющей стали со стабилизатором, и потоком тепла по управляемому теплопроводу. Он состоит из отожженых медной трубки и вставленного в нее медного стержня, окруженными тонкостенной трубкой из нержавеющей стали. Внутри этой сборки находится гелий. При гелиевой температуре газы полностью сорбируется активированным углем, заполняющим медную ампулу, связанную с теплопроводом тонкостенной трубкой из нержавеющей стали. При нагреве ампулы нагревателя импульсом мощностью около 1 мВт газ десорбируется и между второй ступенью и стабилизатором устанавливается эффективная тепловая связь.

Рис. 2. Зависимость от времени (начиная с момента включения CR) температур первой ступени (1), стабилизатора (2) и ванны ³He (3). Стрелками 4 и 5 помечены моменты начала и окончания набора жидкого гелия гелия в стабилизатор. Начальная температура всех узлов комнатная. Показания термометров 2 и 3 соответствуют истинной температуре при ее значении ниже примерно 10 K.

По мере остывания стабилизатора охлаждаются и связанные с ним сорберы ³Не и ⁴Не, ванна ⁴Не, ванна ³Не и миксер. При этом рабочие газы собираются в сорберах и в конденсаторе контура растворения. Для ускоренного остывания ванны ⁴Не и ³Не связаны со стабилизатором теплопроводами, аналогичными управляемому (на рис. 1 не показаны). Дополнительно ванна ³Не и миксер соединены со стабилизатором посредством управляемого магнитного прижима, который выключается при подаче на него импульса тока [10].

Второй этап полностью аналогичен набору ³Не и его охлаждению до температуры 1 K, описанному в работе [8]. Сорбер ⁴He нагревается до температуры примерно 50 К при мощности около 1 Вт. Происходит десорбция газа и его конденсация в ванне ⁴He. Затем в рубашку сорбера подается теплообменный газ при нагреве соответствующего небольшого сорбера мощностью примерно 1–2 мВт, сорбер ⁴He остывает и начинается откачка ванны с жидким гелием, которая остывает до температуры ниже температуры конденсации ³He. Включается нагрев сорбера ³He, и за счет испарения жидкого ⁴He конденсируются ³He и смесь. Ванна ³He и контур смеси заполняются и охлаждаются вплоть до температуры 1–1.2 К. Одного цикла десорбции–конденсации достаточно, если в приборе находится около 1.5 л ³He. Если же его больше, то жидкость в ванне ⁴He заканчивается раньше, чем будет заполнена и остынет ванна ³He, тогда процедуру следует повторить. Соответственно процесс заполнения жидкостью ванны ³He и его предварительное охлаждение занимает 1–2 ч.

При достижении температуры ванны ³He уровня 1–1.2К выключается нагрев сорбера и в его рубашку подается теплообменный газ. Ванна ³He, испаритель и миксер остывают до температуры 0.4–0.6 К. Включается нагрев испарителя мощностью 0.3–0.5мВт и активируются циркуляция ³He в контуре растворения, приводящая к охлаждению миксера и находящегося с ним в тепловом контакте детектора. На этом этапе нагрузка на стабилизатор падает до уровня порядка 1мВт. Это позволяет выключить CR и тем самым устранить вибрации. Эффект включения/выключения CR наглядно виден на рис. 3 – температура миксера скачком возрастает, а затем падает.

Рис. 3. Зависимость от времени температур испарителя (1), ванны ³He (2) и миксера (3). Стрелками показаны моменты включения и выключения компрессора CR. Правая шкала – мощность, рассеиваемая в испарителе.

При выключенном CR рабочие условия поддерживаются благодаря испарению жидкого гелия, накопленного в стабилизаторе. Если ванна для жидкого азота пуста, то время, за которое гелий полностью испарится, составляет до 5 ч, рис. 4. Если же в нее залит жидкий азот, то это время достигает 8 ч. Тепловая связь азотной ванны с экраном, связанным с первой ступенью CR, осуществляется благодаря азоту, находящемуся при комнатной температуре в конвективном теплопроводе под давлением около 70 ати. Однако такой тепловой связи недостаточно, чтобы поддерживать температуру экрана на уровне температуры кипения жидкого азота, поскольку подвод тепла из комнаты к первой ступени намного эффективнее, чем от ванны с азотом. Связать же эту ванну непосредственно с экраном опасно. При рабочей температуре первой ступени около 40 K, если ванна не заполнена жидким азотом, в ней будет конденсироваться атмосферный кислород, что чревато непредсказуемыми последствиями. В нашем случае это исключено, так как пустая ванна не охлаждается до такого уровня.

Рис. 4. Зависимость от времени температур стабилизатора (1), ванны ³He (2) и миксера (3).Компрессор CR выключен в момент времени t = 19 ч 30 мин.

Если включить CR сразу после того, как закончится гелий в стабилизаторе, то время, необходимое для достижения низкой температуры сокращается примерно на 8 ч. Если пауза продлится 10 ч, то время выхода на рабочий режим сократится на 6–7 ч.

Таким образом, описываемый криостат удовлетворяет требованиям, предъявляемым к средствам охлаждения детекторов при работе на телескопе САО РАН. Хотя из-за сравнительно высокой фоновой нагрузки атмосферы на площадке БТА достаточно охлаждения детектора до температуры 0.3 К, более глубокое, до Т = 0.1 К, охлаждение позволит отработать методику измерений имея в виду перспективы создания радиотелескопов на более подходящих площадках или на Луне.

В заключение отметим, что конструкция рефрижератора позволяет одновременно охлаждать разные детекторы до уровня 0.1 К (миксер), 0.4–0.45 К (ванна ³Не), 1 К (ванна ⁴Не) и 4.2 К (стабилизатор).

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны академику Ю.Ю. Балеге, осуществляющему общее руководство программой, и коллегам из САО РАН, ИФП РАН, ИПФ РАН и ИРЭ РАН за плотное и продуктивное сотрудничество в работе.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке российского научного фонда (грант 23-62-10013).