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舊的流量技術如何解決高科技問題以冷卻世界上靈敏的天文相機

來源: 作者: 發布日期:2020-05-15

       世界上大的光學望遠鏡,位于拉帕爾馬島加那利島上的10.4m Gran Telescopio Canarias(GTC)配備了由英國謝菲爾德大學制造的功能強大的新型天文相機。這款名為HiPERCAM的相機于2018年在望遠鏡上調試,可以每秒同時拍攝五種光學顏色的1000張照片。謝菲爾德大學的Vik Dhillon教授是HiPERCAM的幕后負責人,他說:“ HiPERCAM是世界上靈敏的天文相機,已被用來研究黑洞,中子星,白矮星,系外行星,活躍的銀河核和太陽系。太陽系的外圍區域”。

 
      問題:HiPERCAM中使用的五個光傳感器是超靈敏電荷耦合器件(CCD),需要將其冷卻至183K(-90degC)才能將圖像中的噪聲降至非常低。這種冷卻是使用非常高性能的熱電(珀耳帖)冷卻器實現的,該冷卻器繼而需要液態冷卻劑(+ 5°C的水-乙二醇混合物)以除去它們提取的熱量。如果冷卻劑無法通過,珀爾帖電源的熱量輸入將損壞CCD,這將花費超過500,000英鎊,并且需要數年的時間才能更換。在如此多的情況下,謝菲爾德團隊開發了一種故障安全系統,該系統可對流經檢測器的冷卻液流造成任何干擾,從而使對珀耳帖的電源自動關閉,從而保護其昂貴的設備。顯然,
 
      這就是Titan企業進入故事的地方。我們初為HiPERCAM選擇了1000系列微型渦輪流量傳感器。需要六個這樣的流量傳感器,五個檢測器各一個,而控制電子設備(也被冷卻)中的第六個。這六個流量傳感器連接到安裝在HiPERCAM上的6通輸入歧管上,該6通輸入歧管用于向6個并聯冷卻回路供氣,如下圖所示。Titan 1000系列流量傳感器首先在英國的實驗室進行測試,然后于2018年在拉帕爾瑪的相機上進行調試。
 
      乍一看似乎一切都很好,每個傳感器通常報告的流量為1.5升/分鐘。但是,隨著時間的推移(幾天-幾周),傳感器開始報告零流量,這導致珀爾帖電源關閉并且檢測器預熱,從而使HiPERCAM無法操作。鑒于望遠鏡的每一晚費用為50,000歐元,因此這是一個嚴重的問題。
 
      在檢查有故障的傳感器時,發現霍爾效應螺旋槳中的磁鐵隨時間積累了粘稠的金屬物質,終阻止了它們在藍寶石軸承上旋轉,從而報告了零流量。顯然,盡管進行了過濾,但天文臺提供的冷卻液供應仍然不夠清潔,無法使用這種流量傳感器。
 
      因此,HiPERCAM團隊重新聯系了Titan企業以尋求建議。我們建議更換超聲波傳感器,因為它們不會滲透冷卻液中的金屬污泥。我們為Process Atrato超聲波傳感器提供了定制外殼,并提供了特殊的校準來模擬1000系列傳感器,因此它們是“即插即用”的替代產品。流量傳感器再次在謝菲爾德的實驗室進行了廣泛測試,然后于2019年初運往拉帕爾瑪島進行HiPERCAM調試。
 
      不幸的是,一旦將流量傳感器安裝在拉帕爾瑪島(La Palma)的HiPERCAM上,它們的行為就不穩定,流量為零或變化很大,這在英國謝菲爾德的測試過程中在實驗室中還沒有發現。該問題可歸因于望遠鏡冷卻液供應中存在微小氣泡,這些氣泡會削弱超聲波信號并使流量傳感器不可靠。由于望遠鏡的冷卻劑供應是由位于單獨建筑物中的全天文臺冷卻器系統提供的,HiPERCAM團隊無法獲得這些東西,也無法對其進行控制,因此無法去除這些微氣泡或金屬污泥。
 
終于是一個可行的解決方案
      結果,HiPERCAM團隊再次求助于Titan企業以尋求進一步的建議。是否可以使用另一種類型的傳感器,使其不受望遠鏡冷卻液的不良(但不可避免)特性的影響?答案是肯定的– Titan FT2光學流量傳感器使用LED和光電二極管來測量流量。當轉子旋轉時,光電二極管可以檢測到與流量成正比的頻率的LED。當轉子靜止時,光電二極管看不到LED,表明沒有流量。
泰坦企業光流量傳感器
      盡管這是一種古老且很少使用的技術,但幸運的是,對于HiPERCAM團隊而言,它們仍然可用,并且在2019年10月交付了六種。光流量傳感器剛剛在謝菲爾德的實驗室中成功進行了測試,現在已經可以用于拉帕爾瑪島(La Palma)進行HiPERCAM的終調試。現在,每個參與人員都希望這將是故事的成功結局,并且Titan Enterprises將使HiPERCAM終發揮其全部科學潛力。

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