韦布望远镜同款黑科技！详解天霁ODS5-PRO超低温制冷技术

      北京时间2022年7月11日凌晨5点，人类有史以来最强大的太空望远镜——詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope, 简称JWST）发布了第一张经过官方处理的科学图像。这张前所未有的清晰宇宙图像标志着人类对宇宙的观察进入了新的红外时代，也引起了人们对韦布空间望远镜的更多兴趣。

韦布望远镜首张经过官方处理的科学图像

       韦布空间望远镜经历了二十五年研发，耗资100多亿美元，是集人类多领域顶尖科技于一身的强大观测仪器。它的主要观测波段为红外，这是因为来自早期宇宙的光在经过百亿年的红移后，大部分已经变成了红外线。但观测红外线是件麻烦事，所有具有温度的物体都会发射红外线，温度越高红外辐射就越强。为了观测到来自遥远宇宙深处的红外线，韦布的核心组件之一中红外成像仪（Mid-Infrared Instrument, MIRI）必须运行在低于7K（-266℃）的低温环境下，以抑制成像仪自身红外“噪音”的干扰，获得高质量的图片。这个温度甚至比韦布空间望远镜所在的空间温度（约36K）还要低30度，因此必须使用额外的制冷系统才能实现。

       实现这样低的温度本身已经很不容易了，更何况韦布空间望远镜独自运行在距地球150万公里的L2拉格朗日点上。这套制冷系统还必须满足体积小、重量轻、可靠性高、振动低等一系列苛刻要求，才能保证韦布在十余年设计寿命内的稳定工作。韦布身上这套顶尖的制冷系统，便是被NASA工程师们称为“最强黑科技”的脉管式热声制冷系统。

MIRI的超低温制冷装置

       热声制冷是目前最先进的制冷方式之一，它利用热在弹性介质（常为高压惰性气体，如氦）中引起声学自激振荡的物理现象实现介质的压缩或膨胀，进而实现对热量的“搬运”达到制冷的效果。没看懂也没关系，总之与传统压缩机式制冷相比，热声制冷的优势在于装置结构非常紧凑，制冷效率高，并且几乎不需要机械运动部件，因此成为了韦布空间望远镜的不二选择。下面这张图就是韦布空间望远镜的脉管式热声制冷装置示意图，有兴趣的同学可以研究一下。

脉管式热声制冷装置示意图

      “天霁”ODS5-PRO高精度环境空气破坏臭氧层物质（ODS）与含氟温室气体监测系统在对环境空气进行监测时，为了实现对四氟化碳、三氟化氮等痕量超低沸点（约-130℃）组分的有效捕集，制冷温度需要低于-200℃（73K）。这个温度虽然比韦布的7K高了不少，但也足以让空气液化了。为了满足在线监测系统对于可靠性的要求，“天霁”ODS5-PRO采用了和韦布空间望远镜同款的脉管式热声制冷系统。该系统极为小巧，却可以在10分钟内实现从室温到-200℃的急速制冷。相比于上一代压缩机制冷，该系统不需要外置压缩机和传统制冷剂，可集成在主机内部，且制冷效率高，可靠性好。

“天霁”ODS5-PRO超低温制冷系统

       脉管式热声制冷系统的应用，使“天霁”ODS5-PRO分析精度、工作效率和可靠性均得到了有效保障。该低温技术源自工程中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室，具有完全自主知识产权，是真正的“中国创造”+“中国制造”。

参考：

https://jwst.nasa.gov/content/about/innovations/cryocooler.html