Vol.1 洞悉遥远的宇宙

想要了解宇宙的起源,就要更加精确地观察光线遥不可及的黑暗宇宙。电波望远镜会在观测中起到至关重要的作用,为了提高电波接收信号的能力,需要使用极低温冷冻机将接收器冷却至零下270℃左右,尽量减少由光热和温度变化产生的干扰。现在,正在南美高原进行的阿尔玛望远镜计划中就使用了本公司的技术。

想要用望远镜看得更远更清晰,就要不断增大望远镜的直径。但是每一台望远镜的大小有限,制作一个直径一公里的电波望远镜是不现实的。不过我们可以将几个射电望远镜的观测数据组合在一起,制作出一个以望远镜间距为直径的虚拟望远镜。通过这种无线电干涉仪系统,可以提高分辨率,对遥远的宇宙空间进行更为细致的观测。

正在南美洲智利海拔5000米的阿塔卡玛沙漠建造中的国际项目《阿尔玛望远镜》 (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array=ALMA=阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列),是一个干涉仪系统巨型射电望远镜,在最大18.5km范围内安置了66台碟形卫星天线。据分析,其分辨率是昂星望远镜和哈勃太空望远镜的10倍左右,能捕捉到来自光线遥不可及的黑暗宇宙空间的微量电波。

在冷却这个望远镜的接收器时,使用的正是本公司的极低温冷冻机。

射电望远镜不喜欢源自人类生活的无线电干扰。而且波长较短的电波很容易被大气中的氧气和水蒸气吸收,因此射电望远镜最适合在大气稀薄而又干燥的高原进行观测。阿塔卡玛高原被选为阿尔玛的安置场地正是因为这个原因。

另外,为了接收来自宇宙空间的微弱电波,必须提高接收器(传感器)的性能。为了减少传感器部分所受的热噪声(热干扰),现行最普遍的做法是对传感器进行极低温冷却。

冷却阿尔玛接收器时使用的是本公司之前用于半导体生产设备中的低温冷凝泵(真空泵)以及医疗设备MRI等的冷冻机。这种冷冻机早已被应用在射电望远镜上,如日本国立天文台野边山宇宙电波观测所的射电望远镜等。

这次本公司将冷冻机的结构改为3层式,以降低干扰并达到冷冻能力最优化。首先在第一层用大型屏蔽板进行冷却,在第二层对低噪声放大器进行冷却。并进一步抑制了来自导线的传导热和辐射热。这样就能够将大部分的冷冻能力用于设置在第三层的传感器的冷却,还可以在这一层实现设置多个传感器的设想(多通道化)。

3层式结构的极低温冷冻机

天线设置在海拔5000m,环境恶劣的阿塔卡玛沙漠

3层式冷冻机的设计过程并非一帆风顺,设计人员付出了许多努力。尤其是要在考虑整体热平衡的同时,确定冷冻机气缸大小的问题上进行了反复尝试。中途甚至还想过使用2台冷冻机的方法。如果使用2台冷冻机,确实可以提供高冷冻能力,但是也会使热平衡的设计变难,还存在会使设备体积变大的缺点。由于设备需要安装在人烟稀少的高原,望远镜零部件的小型化是至关重要的。最终我们动用了所有冷冻机设计方面的经验技术,才解决了这个问题。

在进行观测时,降低阶层上的温度变化幅度也是一个重要课题。温度变化带来的电阻变化是致命的干扰源。为了解决这个问题,采取了用密封有氦气的氦吊舱将整个第三层阶层覆盖住的方法。通过这样的措施,使阶层上的绝对温度能够稳定地保持在4.2K(摄氏-268.95℃)。

阿尔玛望远镜从2012年开始正式运行。观测开始后,我们就可以掌握宇宙刚刚形成时作为新生儿的银河系的情形,以及漂浮在宇宙中的有机分子的组成情况。太阳系和银河系是如何形成的、形成我们这些生物体生命的材料是从哪里而来等等宇宙之谜或许也能得到一个科学的答案。

与最大直径12m的巨型碟形卫星天线相比,冷冻机只是一个很小的部件。但是,在探索宇宙起源的过程中,它却是不可或缺的一个设备。