BICEP Array 项目的亚开尔文制冷
天体物理仪器与方法
2020-09-22 v1 仪器与探测器
摘要
在天体物理学领域，来自遥远星系及其他暗弱宇宙源在毫米和亚毫米波长的微弱信号需要使用高灵敏度实验进行探测。低温技术与低温探测器的使用对于实现科学目标至关重要，其可降低探测器噪声水平并改善仪器稳定性。辐射热探测器通常需冷却至 1K 以下，且无论实验为天基平台还是地基望远镜，对仪器的约束都极为严格。后者通常部署于如南极等偏远恶劣环境中，维护需求须尽可能少。CEA-SBT 在开发无振动多级氦吸附制冷机方面积累了深厚经验，当安装于温度低于 5K 的冷级上时，其可提供低至 200 mK 的制冷。本文聚焦于专为加州理工/JPL 牵头的 BICEP Array 项目开发的三级制冷机，该项目旨在研究宇宙的诞生，特别是原初引力波在宇宙微波背景偏振上留下的独特 B 模图样。目前正在开发若干低温接收机，每台均配备一台此类氦吸附制冷机，由 Cryomech 脉管制冷机从 4K 冷级供冷，该脉管制冷机在 4.2K 与 45K 处的制冷量分别大于 1.35W 与 36W。本项目的主要挑战是将大质量物体冷却至亚开尔文温度（250mK 下 26 kg）以及由此产生的长冷却时间，在此新型制冷机设计中，通过在不同温级间采用被动与主动热链接将冷却时间降至最短。首台装置的设计制冷量在最高温度 2.8K、340 mK 与 250 mK 处分别提供 230、70 与 2 μW 的净制冷量，持续时间不少于 48 小时。
引用
@article{arxiv.2009.09997,
title = {Sub-Kelvin Cooling for the BICEP Array Project},
author = {Lionel Duband and Thomas Prouve and James Bock and Lorenzo Moncelsi and Alessandro Schillaci},
journal= {arXiv preprint arXiv:2009.09997},
year = {2020}
}
备注
Proceedings of the 20th International Cryocooler Conference (edited by S.D. Miller, R.G. Ross, Jr. and J.R. Raab), Burlington (VT) USA, June 18-21, 2018