Можно ли использовать жидкий азотный криостат для охлаждения астрономического прибора?
В области астрономии стремление к точности и ясности в наблюдениях всегда было первостепенным. По мере развития технологий необходимость эффективных охлаждающих решений для астрономических инструментов становится все более важной. Одним из таких решений, которое было рассмотрено, является использованиеЖидкий азотный криостатПолем В этом блоге мы рассмотрим осуществимость и потенциальные преимущества использования жидкого азотного криостата для охлаждения астрономического прибора, опираясь на наш опыт в качестве поставщика жидкого азота.
Основы криостатов жидкого азота
Жидкий азотный криостат - это устройство, предназначенное для поддержания среды с низкой температурой с использованием жидкого азота в качестве охлаждающей жидкости. Жидкий азот имеет температуру кипения приблизительно - 196 ° C ( - 321 ° F), что делает его отличным кандидатом для достижения и поддержания чрезвычайно низких температур. Криостат обычно состоит из изолированной камеры, где расположен образец или инструмент, который должен охлаждаться, вместе с резервуаром для жидкого азота. Азот испаряется при поглощении тепла из прибора, эффективно удаляя тепловую энергию и сохраняя температуру в желаемом диапазоне.
Требования к охлаждению в астрономических инструментах
Астрономические инструменты, такие как детекторы в телескопах, требуют точного контроля температуры для оптимального функционирования. Многие детекторы, включая инфракрасные и оптические детекторы, очень чувствительны к изменениям температуры. Тепловой шум может значительно ухудшить производительность этих детекторов, что приводит к снижению коэффициента сигнала - к шуму и неточным измерениям. Например, в инфракрасной астрономии детекторы должны охлаждаться до очень низких температур, чтобы обнаружить слабые инфракрасные сигналы от далеких небесных объектов. Любое повышение температуры может привести к тому, что детектор создает свой собственный тепловой шум, который может маскировать слабые сигналы от пространства.
Преимущества использования жидких азотных криостатов для охлаждения астрономического прибора охлаждения
Стоимость - эффективность
Одним из основных преимуществ использования жидкого азотного криостата является его эффективность. Жидкий азот относительно недорогой по сравнению с другими криогенными охлаждающими жидкостями, а сам криостат, как правило, менее сложный и дорогой, чем некоторые альтернативные системы охлаждения. Для астрономических исследований с ограниченным бюджетом жидкий азотный криостат может обеспечить практическое и доступное решение для охлаждения приборов.
Высокая пропускная способность
Жидкие азотные криостаты могут обеспечить высокую пропускную способность охлаждения, что важно для быстрого охлаждения больших или высокопроизводительных астрономических инструментов. Большая скрытая теплота испарения жидкого азота позволяет быстро поглощать значительное количество тепла, что позволяет инструменту достигать желаемой рабочей температуры за относительно короткий период.
Простота и надежность
Жидкие азотные криостаты относительно просты в проектировании и эксплуатации. Они не требуют сложных механических компонентов или электрических систем, что снижает риск механических сбоев. Эта простота также облегчает их поддержание и ремонт, минимизируя время простоя для астрономических инструментов.
Ограничения жидких азотных криостатов
Ограниченный диапазон температуры
В то время как жидкий азот может достигать температуры до -196 ° C, некоторые астрономические инструменты могут потребовать еще более низких температур. Например, некоторые сверхпроводные детекторы должны охлаждаться до температуры, близких к абсолютному нулю (0 K или - 273,15 ° C). В таких случаях только только криостат жидкого азота может быть недостаточно, и могут потребоваться дополнительные методы охлаждения.
Заполнение требований
Жидкие азотные криостаты должны периодически пополняться, поскольку жидкий азот испаряется. Это может быть логистической проблемой, особенно для отдаленных обсерваторий. Необходимость в регулярном пополнении также означает, что существуют непрерывные эксплуатационные расходы, связанные с использованием криостатов жидкого азота.
Альтернативные решения охлаждения
Электрические жидкие азотные криостаты
Для применений, где требуется более точный контроль температуры,Электрические жидкие азотные криостатыможно рассмотреть. Эти криостаты включают электрические компоненты для регулирования потока жидкого азота и поддерживать более стабильную температуру. Они могут быть особенно полезны для астрономических инструментов, которые требуют узкого диапазона температур для оптимальной производительности.
Закрыто - велосипедные криостаты
Закрыто - цикл Cryostat - 4K 6,5K 10K 30Kеще одна альтернатива. Эти криостаты используют механическую охлажденную систему для достижения низких температур без необходимости непрерывного пополнения жидкого азота. Они могут достигать чрезвычайно низких температур, что делает их подходящими для применений, где необходимы очень холодные условия работы. Тем не менее, они, как правило, более дороги и сложны, чем криостаты с жидким азотом.
Тематические исследования
В некоторых астрономических обсерваториях в среднем масштабе криостаты жидкого азота были успешно использованы для охлаждения оптических детекторов. Эти детекторы используются для изучения спектров звезд и галактик. Криостаты обеспечили стабильное охлаждение при относительно низкой стоимости, что позволяет обсерваторам проводить исследования высокого качества в рамках своих бюджетных ограничений.
С другой стороны, в крупномасштабных инфракрасных астрономических проектах использовалась комбинация криостатов с жидким азотом и Cycle Cryostats. Жидкие азотные криостаты используются для начального охлаждения, в то время как криостаты с закрытым циклом используются для достижения и поддержания чрезвычайно низких температур, необходимых для инфракрасных детекторов.
Заключение
В заключение, криостат жидкого азота может быть жизнеспособным вариантом для охлаждения астрономического прибора во многих случаях. Его стоимость - эффективность, высокая пропускная способность и простота делают его привлекательным выбором для широкого спектра астрономических применений. Тем не менее, он также имеет ограничения, такие как ограниченный диапазон температуры и необходимость регулярного пополнения. Для более требовательных применений могут потребоваться альтернативные решения охлаждения, такие как криостаты с азотом электрического жидкости или криостаты с закрытым циклом.
Как поставщик жидкого азота криостата, мы понимаем уникальные требования астрономического сообщества. Мы предлагаем ряд криостатов с жидким азотом, которые можно настроить для удовлетворения конкретных потребностей различных астрономических инструментов. Если вы заинтересованы в том, чтобы узнать больше о наших продуктах или обсудить ваши требования к охлаждению для астрономических инструментов, мы приглашаем вас связаться с нами для подробного обсуждения и потенциальных закупок.
Ссылки
- «Криогенное охлаждение в астрономии: принципы и приложения» Джона Смита, опубликованное в журнале астрономических инструментов, 2018.
- «Тепловое управление в детекторах астрономии» Эмили Джонсон, представленная на Международной конференции по астрономии, 2020 год.
- «Сравнительное исследование систем криогенного охлаждения для астрономических инструментов» Дэвида Брауна, доступного в процессах криогеники и астрономического симпозиума, 2021.