空间观测仪器也有“舒适区”

　　截至2025年7月，詹姆斯·韦布太空望远镜已在轨运行3周年。其主镜和近红外仪器设计工作温度约零下233摄氏度，中红外探测器设计温度约零下266摄氏度，需要使用巨大遮阳罩隔绝阳光并结合氦脉管制冷机主动制冷维持低温。

　　其实不止韦布望远镜，还有很多空间观测科学仪器也需要工作在温度非常低的环境中，温度成为制约工作效能的重要因素。

　　斯皮策太空望远镜于2003年发射，口径为85厘米，有3个低温冷却仪器，在3～180微米范围内工作。斯皮策望远镜发射时携带液氦，维持其核心仪器在约零下268摄氏度的环境中运行长达5年半。后期虽然液氦耗尽，大部分设备停止工作，但4个相机中仍有2个可在较“温暖”的零下243摄氏度的环境中工作。

　　赫歇尔空间天文台于2009年发射，主要科学目标是研究第一批星系和恒星如何形成和演化。其配备3种科学仪器：远红外外差仪、光电探测器阵列相机和光谱仪，以及光谱和光度成像接收器。这些仪器在低温下工作，依靠超过2000升液氦冷却至零下271摄氏度以下运行近4年，专注于远红外和亚毫米波段观测，覆盖60～670微米的波长区间。其最终于2013年4月因液氦耗尽而停止工作。

　　普朗克卫星在轨示意图

　　2009年，普朗克卫星与赫歇尔天文台一同发射，是首颗专门探测宇宙微波背景辐射的空间探测器，其配备两台探测仪器：低频仪器为22个基于高电子迁移率晶体管的无线电接收机阵列，需冷却至零下253摄氏度，使用氦-4作为冷却剂;高频仪器由52个超导辐射热计探测器组成阵列，工作于零下273.05摄氏度，利用氦-3稀释制冷技术实现，以探测宇宙最古老光子的细微温度起伏。2012年1月，普朗克卫星携带的氦-3耗尽，仅低频仪器可继续工作。

　　日本宇宙航空研究开发机构与美国宇航局的合作项目XRISM于2023年发射，该任务希望通过高通量、高分辨率光谱，研究宇宙中的X射线天体。其搭载名为Resolve的软X射线光谱仪，采用第一代半导体温度计型微量能器，利用该器件在低温条件下的高灵敏度实现了5～7电子伏特的能谱分辨率。Resolve置于液氦容器中，通过多级机械冷却制冷，实际工作在零下273摄氏度的极低温度中。

　　作为我国后续待发展的新体制高能探测空间科学卫星，宇宙热重子探寻卫星的主要科学目标是发现宇宙中“缺失”的重子物质。由于目标辐射信号微弱，需要采用更高灵敏度的、基于超导技术的第二代微量能器开展探测。该器件利用超导转变边传感器，可实现1～2电子伏特的能谱分辨。由于工作在超导状态，该器件工作环境温度在零下273摄氏度以内，拟采用机械制冷与绝热去磁制冷相结合的手段予以实现。

　　由此可见，极低温制冷技术的突破和在轨应用，对于后续空间天文科学的发展和技术进步至关重要。

文章转载于：中国航天报·飞天科普周刊