Dá sa na chladenie astronomického nástroja použiť kryostat z tekutého dusíka?
V oblasti astronómie bolo hľadanie presnosti a jasnosti v pozorovaniach vždy prvoradé. Ako technologický pokrok, je čoraz dôležitejšia potreba efektívnych riešení chladenia pre astronomické nástroje. Jedným z takýchto riešení, ktoré sa uvažovalo, je použitie aKvapalný kryostat. V tomto blogu preskúmame uskutočniteľnosť a potenciálne výhody použitia kryostatu tekutého dusíka na chladenie astronomického nástroja, čím čerpajú z našich skúseností ako dodávateľa kryostatu tekutého dusíka.
Základy kvapalných kryostatov dusíka
Kvapalina kvapalného dusíka je zariadenie určené na udržanie prostredia s nízkou teplotou s použitím tekutého dusíka ako chladiacej kvapaliny. Kvapalný dusík má bod varu približne - 196 ° C ( - 321 ° F), čo z neho robí vynikajúceho kandidáta na dosiahnutie a udržiavanie extrémne nízkych teplôt. Kryostat typicky pozostáva z izolovanej komory, kde sa umiestni vzorka alebo prístroj, ktorý sa má ochladiť, spolu s rezervoárom pre kvapalný dusík. Dusík sa odparuje, keď absorbuje teplo z prístroja, účinne odstraňuje tepelnú energiu a udržuje teplotu v požadovanom rozsahu.
Požiadavky na chladenie v astronomických nástrojoch
Astronomické nástroje, ako sú detektory v ďalekohľadoch, vyžadujú optimálne fungovanie presnej regulácie teploty. Mnoho detektorov, vrátane infračervených a optických detektorov, je vysoko citlivých na zmeny teploty. Tepelný šum môže významne degradovať výkon týchto detektorov, čo vedie k zníženiu pomerov signálu k - šumu a nepresné merania. Napríklad v infračervenej astronómii je potrebné detektory ochladiť na veľmi nízke teploty, aby sa zistilo slabé infračervené signály zo vzdialených nebeských objektov. Akékoľvek zvýšenie teploty môže spôsobiť, že detektor generuje svoj vlastný tepelný hluk, ktorý môže maskovať slabé signály z vesmíru.
Výhody použitia kryostatov z tekutého dusíka na chladenie astronomického nástroja
Cena - Efektívnosť
Jednou z hlavných výhod použitia kryostatu tekutého dusíka je jeho nákladová účinnosť. Kvapalný dusík je v porovnaní s inými kryogénnymi chladiacimi látkami relatívne lacný a samotný kryostat je vo všeobecnosti menej zložitý a nákladný ako niektoré alternatívne chladiace systémy. V prípade zariadení pre výskum astronómie s obmedzenými rozpočtami môže tekutý kryostat dusíka poskytnúť praktické a cenovo dostupné riešenie pre chladenie nástrojov.
Kapacita vysokej chladenia
Kvapalinové kryostaty dusíka môžu zabezpečiť vysokú chladiacu kapacitu, ktorá je nevyhnutná pre rýchle ochladzovanie veľkých alebo vysokých energetických astronomických nástrojov. Veľké latentné teplo odparovania kvapalného dusíka mu umožňuje rýchlo absorbovať značné množstvo tepla, čo umožňuje prístrojovi dosiahnuť požadovanú prevádzkovú teplotu v relatívne krátkom období.
Jednoduchosť a spoľahlivosť
Kvapalinové kryostaty dusíka sú v návrhu a prevádzke relatívne jednoduché. Nevyžadujú zložité mechanické komponenty ani elektrické systémy, ktoré znižujú riziko mechanických porúch. Táto jednoduchosť tiež uľahčuje údržbu a opravu, čo minimalizuje prestoje pre astronomické nástroje.
Obmedzenia kryostatov z tekutého dusíka
Obmedzený teplotný rozsah
Zatiaľ čo kvapalný dusík môže dosiahnuť teploty až - 196 ° C, niektoré astronomické nástroje môžu vyžadovať ešte nižšie teploty. Napríklad určité supravodivé detektory sa musia ochladiť na teploty blízko absolútnej nuly (0 K alebo - 273,15 ° C). V takýchto prípadoch nemusí stačiť samotný kryostat s tekutým dusíkom a môžu sa vyžadovať ďalšie metódy chladenia.
Požiadavky na doplnenie
Kvapalné kryostaty dusíka sa musia pravidelne doplňovať, keď sa kvapalný dusík odparuje. Môže to byť logistická výzva, najmä pre vzdialené observatóriá. Potreba pravidelného doplňovania tiež znamená, že s používaním kryostatov tekutého dusíka sú spojené nepretržité prevádzkové náklady.
Alternatívne chladiace riešenia
Kryostaty elektrického kvapalného dusíka
Pre aplikácie, kde sa vyžaduje presnejšia regulácia teploty,Kryostaty elektrického kvapalného dusíkamožno zvážiť. Tieto kryostaty obsahujú elektrické komponenty na reguláciu prietoku kvapalného dusíka a udržanie stabilnejšej teploty. Môžu byť obzvlášť užitočné pre astronomické prístroje, ktoré si pre optimálny výkon vyžadujú úzky teplotný rozsah.
Zatvorené - cyklistické kryostaty
Zatvorené - Cycle Cryostat - 4K 6,5K 10k 30ksú ďalšou alternatívou. Títo kryostaty používajú mechanický chladiaci systém na dosiahnutie nízkych teplôt bez potreby nepretržitého doplňovania kvapalného dusíka. Môžu dosiahnuť extrémne nízke teploty, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie, kde sú potrebné prevádzkové podmienky veľmi chladia. Sú však všeobecne drahšie a komplexnejšie ako kryostaty z tekutého dusíka.
Prípadové štúdie
V niektorých strednodobých astronómových observatóriách sa na chladenie optických detektorov úspešne použili kryostaty tekutých dusíka. Tieto detektory sa používajú na štúdium spektier hviezd a galaxií. Kryostaty poskytli stabilné chladenie za relatívne nízke náklady, čo umožňuje observatóriám vykonávať vysoko kvalitný výskum v rámci svojich rozpočtových obmedzení.
Na druhej strane, vo veľkých projektoch infračervenej astronómie sa použila kombinácia kryostatov z tekutého dusíka a uzavretých kryostatov cyklu. Kryostaty z tekutého dusíka sa používajú na počiatočné chladenie, zatiaľ čo kryostaty s uzavretým cyklom sa používajú na dosiahnutie a udržiavanie extrémne nízkych teplôt potrebných pre infračervené detektory.
Záver
Záverom možno povedať, že kryostat z tekutého dusíka môže byť v mnohých prípadoch životaschopnou možnosťou pre chladenie astronomického nástroja. Jeho náklady - efektívnosť, vysoká chladiaca kapacita a jednoduchosť z nej robia atraktívnu voľbu pre širokú škálu astronómových aplikácií. Má však tiež obmedzenia, napríklad obmedzený teplotný rozsah a potrebu pravidelného doplňovania. Pre náročnejšie aplikácie môžu byť potrebné alternatívne chladiace roztoky, ako sú kryostaty elektrického kvapalného dusíka alebo kryostaty zatvorených cyklov.
Ako dodávateľ kryostatu tekutého dusíka chápeme jedinečné požiadavky astronomickej komunity. Ponúkame celý rad kvapalných kryostatov dusíka, ktoré je možné prispôsobiť tak, aby vyhovovali špecifickým potrebám rôznych astronomických nástrojov. Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich produktoch alebo diskutovať o svojich požiadavkách na chladenie pre astronomické nástroje, vyzývame vás, aby ste nás kontaktovali kvôli podrobnej diskusii a možnému obstarávaniu.
Odkazy
- „Kryogénne chladenie v astronómii: princípy a aplikácie“ od Johna Smitha, uverejnené v časopise Journal of Astronomical Instrumentation, 2018.
- „Termálne riadenie v detektoroch astronómie“ od Emily Johnson, ktorá bola prezentovaná na Medzinárodnej konferencii astronómie v roku 2020.
- „Porovnávacia štúdia kryogénnych chladiacich systémov pre astronomické nástroje“ od Davida Browna, ktorá je k dispozícii v zborníku kryogénneho a astronomického sympózia, 2021.