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            什么?韋布天文望遠鏡也用上了碲鎘汞紅外探測器?

            點擊次數:56 發布時間:2022-03-09

            題注:韋布通過將冷卻到極低溫的大口徑太空望遠鏡(預計是斯皮策紅外天文望遠鏡的50倍靈敏度和7倍的角分辨率)和先進的紅外探測器工藝相結合,帶來了科學能力的巨大進步。它將為以下四個科學任務做出重要貢獻:

            1. 發現宇宙的“第一道光”;

            2. 星系的集合,恒星形成的歷史,黑洞的生長,重元素的產生;

            3. 恒星和行星系統是如何形成的;

            4. 行星系統和生命條件的演化。

            而這一切,都離不開部署在韋布上的先進的紅外探測器陣列!

             

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            近日,NASA公布了“鴿王”詹姆斯·韋布望遠鏡拍攝的第一張照片!

             

             

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            1. 韋布拍的第一張照片,圖源:NASA

             

            什么鬼?!這臺花費百億美金的望遠鏡有點散光啊……怕不是在逗我玩呢吧……

             

            別急,這確實是韋布望遠鏡用它的近紅外相機(NIRCam)拍的第一張照片。確切來說,這只是第一張馬賽克拼圖的中間部分。上面一共18個亮點,每個亮點都是北斗七星附近的同一顆恒星。因為韋布的主鏡由18塊正六邊形鏡片拼接而成,之前為了能夠塞進火箭狹窄的貨艙發射升空,韋布連主鏡片都折疊了起來,直到不久前才完全展開。但這些主鏡片還沒有對齊,于是便有了首張照片上那18個看似隨機分布散斑亮點。

            對于韋布團隊的工程師而言,這張照片可以指導他們接下來對每一塊主鏡片作精細調整,直到這18個亮點合而為一,聚成一個清晰的恒星影像為止。想看韋布拍攝的清晰版太空美圖,我們還要再耐心等幾個月才行。小編覺得,大概到今年夏天,就差不多了吧。

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            中紅外儀器MIRI

            如果把韋布網球場般大小的主反射鏡,比作人類窺探宇宙的“紅外之眼”的晶狀體的話,韋布攜帶的中紅外儀器,可以說就是這顆“紅外之眼”的視網膜了。今天,小編要帶大家了解的,就是韋布得以超越哈勃望遠鏡的核心設備——中紅外儀器 (MIRI,Mid-infared Instrument)。

             

            2. 韋布望遠鏡的主要子系統和組件,中紅外儀器MIRI位于集成科學儀器模組(ISIM)。原圖來源:NASA

            如圖2所示,韋布望遠鏡的主、副鏡片經過精細調整和校準后,收集來自遙遠太空的星光,并將其導引至集成科學儀器模組(ISIM)進行分析。ISIM包含以下四種儀器:

            l  中紅外儀器(MIRI)

            l  近紅外光譜儀 (NIRSpec)

            l  近紅外相機 (NIRCam)

            l  精細導引傳感器/近紅外成像儀和無狹縫光譜儀 (FGS-NIRISS)

            其中,最引人注目的,便是韋布望遠鏡的中紅外儀器 (MIRI,Mid-infared Instrument) 。MIRI包含一個中紅外成像相機和數個中紅外光譜儀,可以看到電磁光譜中紅外區域的光,這個波長比我們肉眼看到的要長。

             

             

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            3. MIRI 將工作在 5 28 微米的中遠紅外波長范圍。圖源:NASA

            MIRI 的觀測涵蓋 5 28 微米的中紅外波長范圍(3)。 它靈敏的探測器將使其能夠看到遙遠的星系,新形成的恒星,以及柯伊伯帶中的彗星及其他物體的微弱的紅移光。 MIRI 的紅外相機,將提供寬視場、寬譜帶的成像,它將繼承哈勃望遠鏡舉世矚目的成就,繼續在紅外波段拍攝令人驚嘆的天文攝影。 所啟用的中等分辨率光譜儀,有能力觀察到遙遠天體新的物理細節(如可能獲取的地外行星大氣紅外光譜特征)。MIRI 為中紅外波段天文觀測提供了四種基本功能:

            1.         中紅外相機:使用覆蓋 5.6 μm 25.5μm 波長范圍的 9 個寬帶濾光片獲得成像;

            2.         低分辨光譜儀:通過 5 12 μm 的低光譜分辨率模式獲得光譜,包括有狹縫和無狹縫選項,

            3.         中分辨光譜儀:通過 4.9 μm 28.8 μm 的能量積分單元,獲得中等分辨率光譜;

            4.         中紅外日冕儀:包含一個Lyot濾光器和三個4象限相位掩模日冕儀,均針對中紅外光譜區域進行了優化。

            韋布的MIRI是由歐洲天文科研機構和美國加州噴氣推進實驗室 (JPL) 聯合開發的。 MIRI在歐洲的研究員是 Gillian Wright(英國天文技術中心),在美國的研究員是 George Rieke(亞利桑那大學)。 MIRI 儀器科學家,是 英國天文技術中心 Alistair Glasse 噴氣推進實驗室 Michael Ressler。

             

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            深入了解MIRI的技術細節

             

             

             

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            4. 集成科學儀器模組(ISIM)的三大區域在韋布上的位置。圖源:NASA

             

            將四種主要儀器和眾多子系統集成到一個有效載荷 ISIM 中是一項艱巨的工作。 為了簡化集成,工程師將 ISIM 劃分為三個區域(如圖4)

             

            區域 1” 是低溫儀器模塊,MIRI探測器就包含在其中。這部分區域將探測器冷卻到 39 K,這是必要的第一階段的冷卻目標,以便航天器自身的熱量,不會干擾從遙遠的宇宙探測到的紅外光(也是一種熱量輻射)。ISIM和光學望遠鏡(OTE)熱管理子系統提供被動冷卻,而使探測器變得更冷,則需使用其他方式。

            區域 2” ISIM電子模塊,它為電子控制設備提供安裝接口和較溫暖的工作環境。

            區域 3”,位于航天器總線系統內,是 ISIM 命令和數據處理子系統,具有集成的 ISIM 飛行控制軟件,以及 MIRI 創新的低溫主動冷卻器壓縮機(CCA)和控制電子設備(CCE)。

             

             

             

             

            5. MIRI整體構成及各子系統所處的區域。圖源:NASA

            5示出了MIRI的整體構成及其子系統在韋布三大區域中的分布情況。包含成像相機,光譜儀,日冕儀的光學模塊 (OM) 位于集成科學儀器模塊 (ISIM) 內,工作溫度為 40K。 OM 和焦平面模塊 (FPM) 通過基于脈沖管的機械主動冷卻器降低溫度,航天器中的壓縮機 (CCA) ,控制電子設備 (CCE) 和制冷劑管線 (RLDA) 將冷卻氣體(氦氣)帶到 OM 附近實現主動制冷。儀器的機械位移,由儀器控制電子設備 (ICE) 控制,焦平面的精細位置調整,由焦平面電子設備 (FPE) 操作,兩者都位于上述放置在 ISIM 附近的較溫暖的“區域 2”中。

             

             

             

            6. ISIM低溫區域1(安裝于主鏡背后)中的MIRI結構設計及四個核心功能模塊的位置。原圖來源:NASA

             

            MIRI光模塊由歐洲科學家設計和建造。來自望遠鏡的紅外輻射通過輸入光學器件和校準結構進入,并在焦平面(儀器內)在中紅外成像儀(還攜帶有低分辨率光譜儀和日冕儀)和中等分辨率光譜儀之間分光。經過濾光,或通過光譜分光,最終將其匯聚到探測器陣列上(如圖6)。

             

            探測器是吸收光子并最終轉換為可測量的電壓信號的器件。每臺光譜儀或成像儀都有自己的探測器陣列。韋布需要極其靈敏的,大面積的探測器陣列,來探測來自遙遠星系,恒星,和行星的微弱光子。韋布通過擴展紅外探測器的先進技術,生產出比前代產品噪音更低,尺寸更大,壽命更長的探測器陣列。

             

             

             

            7. ()韋布望遠鏡近紅外相機 (NIRCam) 的碲鎘汞探測器陣列,()MIRI 的紅外探測器(綠色)安裝在一個被稱為焦平面模塊的塊狀結構中,這是一塊1024x1024 像素的砷摻雜硅像素陣列(100萬像素)。圖源:NASA。

             

            韋布使用了兩種不同材料類型的探測器。如圖7所示,左圖是用于探測 0.6 - 5 μm波段的近紅外碲鎘汞(縮寫為 HgCdTeMCT)“H2RG”探測器,右圖是用于探測5 - 28 μm波段的中紅外摻砷硅(縮寫為 Si:As)探測器。 近紅外探測器由加利福尼亞州的 Teledyne Imaging Sensors 制造。 “H2RG” Teledyne 產品線的名稱。中紅外探測器,由同樣位于加利福尼亞的 Raytheon Vision Systems 制造。每個韋布“H2RG”近紅外碲鎘汞探測器陣列,有大約 400 萬個像素。每個中紅外摻砷硅探測器,大約有 100 萬個像素。(小編點評:以單像素碲鎘汞探測器的現有市場價格計算,一塊韋布碲鎘汞探測器陣列的價格就要四十億美金?。?!為了拓展人類天文知識的邊界,韋布這回真是不計血本??!)

             

            碲鎘汞是一種非常有趣的材料。 通過改變汞與鎘的比例,可以調整材料以感應更長或更短波長的光子。韋布團隊利用這一點,制造了兩種汞--碲化物成分構成的探測器陣列:一種在 0.6 - 2.5 μm范圍內的汞比例較低,另一種在 0.6 - 5 μm范圍內的汞含量較高。這具有許多優點,包括可以定制每個 NIRCam 檢測器,以在將要使用的特定波長上實現峰值性能。表 1 顯示了韋布儀器中包含的每種類型探測器的數量。

             

             

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            1. 韋布望遠鏡上的光電探測器,其中MIRI包含三塊砷摻雜的硅探測器,一塊用于中紅外相機和低分辨光譜儀,另外兩塊用于中分辨光譜儀。來源:NASA

            MIRI 的核心中紅外探測功能,則是由三塊砷摻雜的硅探測器(Si:As)陣列提供。其中,中紅外相機模塊提供寬視場,寬光譜的圖像,光譜儀模塊在比成像儀更小的視場內,提供中等分辨率光譜。MIRI 的標稱工作溫度為7K,如前文所述,使用熱管理子系統提供的被動冷卻技術無法達到這種溫度水平。因此,韋布攜帶了創新的主動雙級低溫冷卻器,專門用于冷卻 MIRI的紅外探測器。脈沖管預冷器將儀器降至18K,再通過Joule-Thomson Loop熱交換器將其降至7K目標溫度。

             

             

            韋布紅外探測器工藝及架構

             

             

             

            8. 韋布太空望遠鏡使用的紅外探測器結構。探測器陣列層(HgCdTe Si:As)吸收光子并將其轉換為單個像素的電信號。銦互連結構將探測器陣列層中的像素連接到 ROIC(讀出電路)。ROIC包含一個硅基集成電路芯片,可將超過 100萬像素的信號,轉換成低速編碼信號并輸出,以供進一步的處理。圖源:Teledyne Imaging Sensors

             

            韋布上的所有光電探測器,都具有相同的三明治架構(如上圖)。三明治由三個部分組成:(1) 一層半導體紅外探測器陣列層,(2) 一層銦互連結構,將探測器陣列層中的每個像素連接到讀出電路陣列,以及 (3) 硅基讀出集成電路 (ROIC),使數百萬像素的并行信號降至低速編碼信號并輸出。紅外探測器層和硅基ROIC芯片是獨立制備的,這種獨立制造工藝允許對過程中的每個組件進行仔細調整,以適應不同的紅外半導體材料(HgCdTe Si:As)。銦是一種軟金屬,在稍微施加壓力下會變形,從而在探測器層的每個像素和 ROIC陣列之間形成一個冷焊點。為了增加機械強度,探測器供應商會在冷焊工藝后段,在銦互連結構層注入流動性高,低粘度的環氧樹脂,固化后的環氧樹脂提高了上下層的機械連接強度。

             

            韋布的探測器如何工作?

            與大多數光電探測器類似,韋布探測器的工作原理在近紅外 HgCdTe 探測器和中紅外 Si:As 探測器中是相同的:入射光子被半導體材料吸收,產生移動的電子空穴對。它們在內置和外加電場的影響下移動,直到它們找到可以存儲的地方。韋布的探測器有一個特點,即在被重置之前,可以多次讀取探測器陣列中的像素,這樣做有好幾個好處。例如,與只進行一次讀取相比,可以將多個非重置性讀取平均在一起,以減少像素噪聲。另一個優點是,通過使用同一像素的多個樣本,可以看到信號電平的跳躍,這是宇宙射線干擾像素的跡象。一旦知道宇宙射線干擾了像素,就可以在傳回地球的信號后處理中,應用校正來恢復受影響的像素,從而保留其觀測的科學價值。

             

            對韋布探測器感興趣的同學們,下面的專業文獻,可供繼續學習。

            有關紅外天文探測器的一般介紹,請參閱Rieke, G.H. 2007, "Infrared Detector Arrays for Astronomy", Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 45, pp. 77-115

            有關候選 NIRSpec 探測器科學性能的概述,請參閱Rauscher, B.J. et al. 2014, "New and Better Detectors for the Webb Near-Infrared Spectrograph", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol 126, pp. 739-749

            有關韋布探測器的一般介紹,請參閱Rauscher, B.J. "An Overview of Detectors (with a digression on reference pixels)"

             

            參考資源:

            [1]. 亞利桑那大學關于MIRI的介紹網頁.

            [2]. Space Telescope Science Institute 關于MIRI的技術網頁 

            [3]. 韋布的創新制冷設備介紹

             

             

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