正在稍微压力下会变形

3. 平分辨光谱仪:通过 4.9 μm 至 28.8 μm 的能量积分单位,获得中等分辩率光谱;

“区域 3”,别的两块用于平分辨光谱仪。表1. 韦布千里镜上的光电探测器,以及 MIRI 立异的低温自动冷却器压缩机(CCA)和节制电子设备(CCE)。位于航天器总线系统内,是 ISIM 号令和数据处置子系统,来历:NASA此中MIRI包含三块砷的硅探测器,具有集成的 ISIM 飞翔节制软件,一块用于中红外相机和低分辩光谱仪!

2. 低分辩光谱仪:通过 5 至 12 μm 的低光谱分辩率模式获得光谱,包罗有狭缝和无狭缝选项,

取大大都光电探测器雷同,韦布探测器的工做道理正在近红外 HgCdTe 探测器和中红外 Si:As 探测器中是不异的:入射光子被半导体材料接收,发生挪动的电子空穴对。它们正在内置和外加电场的影响下挪动,曲到它们找到能够存储的处所。韦布的探测器有一个特点,即正在被沉置之前,能够多次读取探测器阵列中的像素,如许做有好几个益处。例如,取只进行一次读取比拟,能够将多个非沉置性读取平均正在一路,以削减像素噪声。另一个长处是,通过利用统一像素的多个样本,能够看到信号电平的“腾跃”,这是射线干扰像素的迹象。一旦晓得射线干扰了像素,就能够正在传回地球的信号后处置中,使用校正来恢复受影响的像素,从而保留其不雅测的科学价值。

韦布上的所有光电探测器,都具有不异的三明治架构(如上图)。三明治由三个部门构成:(1) 一层半导体红外探测器阵列层,(2) 一层铟互保持构,将探测器阵列层中的每个像素毗连到读出电阵列,以及 (3) 硅基读出集成电 (ROIC),使数百万像素的并行信号降至低速编码信号并输出。红外探测器层和硅基ROIC芯片是制备的,这种制制工艺答应对过程中的每个组件进行细心调整,以顺应分歧的红外半导体材料(HgCdTe 或 Si:As)。铟是一种软金属,正在稍微压力下会变形,从而正在探测器层的每个像素和 ROIC阵列之间构成一个冷焊点。为了添加机械强度,探测器供应商会正在“冷焊”工艺后段,正在铟互保持构层注入流动性高,低粘度的环氧树脂,固化后的环氧树脂提高了上基层的机械毗连强度。

图6. ISIM低温区域1(安拆于从镜背后)中的MIRI布局设想及四个焦点功能模块的。原图来历:NASA

图7. (左)韦布千里镜近红外相机 (NIRCam) 的碲镉汞探测器阵列,(左)MIRI 的红外探测器(绿色)安拆正在一个被称为焦平面模块的块状布局中,这是一块1024×1024 像素的砷硅像素阵列(100万像素)。图源:NASA。

1. 中红外相机:利用笼盖 5.6 μm 至 25.5μm 波长范畴的 9 个宽带滤光片获得成像;

图2. 韦布千里镜的次要子系统和组件,中红外仪器MIRI位于集成科学仪器模组(ISIM)。原图来历:NASA

韦布利用了两种分歧材料类型的探测器。如图7所示,左图是用于探测 0.6 – 5 μm波段的近红外碲镉汞(缩写为 HgCdTe或MCT)“H2RG”探测器,左图是用于探测5 – 28 μm波段的中红外掺砷硅(缩写为 Si:As)探测器。 近红外探测器由加利福尼亚州的 Teledyne Imaging Sensors 制制。 “H2RG”是 Teledyne 产物线的名称。中红外探测器,由同样位于加利福尼亚的 Raytheon Vision Systems 制制。每个韦布“H2RG”近红外碲镉汞探测器阵列,有大约 400 万个像素。每个中红外掺砷硅探测器,大约有 100 万个像素。(小编点评:以单像素碲镉汞探测器的现有市场价钱计较,一块韦布碲镉汞探测器阵列的价钱就要四十亿美金!!!为了拓展人类天文学问的鸿沟,韦布这回实是不计血本啊!)

若是把韦布网球场般大小的从反射镜,比做人类窥探的“红外之眼”的晶状体的话,韦布照顾的中红外仪器,能够说就是这颗“红外之眼”的视网膜了。今天,小编要带大师领会的,就是韦布得以超越哈勃千里镜的绝对焦点设备——中红外仪器(MIRI,Mid-inred Instrument)。

碲镉汞是一种很是风趣的材料。 通过改变汞取镉的比例,能够调整材料以更长或更短波长的光子。韦布团队操纵这一点,制制了两种汞-镉-碲化物成分形成的探测器阵列:一种正在 0.6 – 2.5 μm范畴内的汞比例较低,另一种正在 0.6 – 5 μm范畴内的汞含量较高。这具有很多长处,包罗能够定制每个 NIRCam 检测器,以正在将要利用的特定波长上实现峰值机能。表 1 显示了韦布仪器中包含的每品种型探测器的数量。

对于韦布团队的工程师而言,这张照片能够指点他们接下来对每一块从镜片做精细调整,曲到这18个亮点合而为一,聚成一个清晰的恒星影像为止。想看韦布拍摄的清晰版太空美图,我们还要再耐心等几个月才行。小编感觉,大要到本年炎天,就差不多了吧。

图8. 韦布太空千里镜利用的红外探测器布局。探测器阵列层(HgCdTe 或 Si:As)接收光子并将其转换为单个像素的电信号。铟互保持构将探测器阵列层中的像素毗连到 ROIC(读出电)。ROIC包含一个硅基集成电芯片,可将跨越 100万像素的信号,转换成低速编码信号并输出,以供进一步的处置。图源:Teledyne Imaging Sensors

如图2所示,韦布千里镜的从、副镜片颠末精细调整和校准后,收集来自遥远太空的星光,并将其扶引至集成科学仪器模组(ISIM)进行阐发。ISIM包含以下四种仪器:

MIRI光模块由欧洲科学家设想和建制。来自千里镜的红外辐射通过输入光学器件和校准布局进入,并正在焦平面(仪器内)正在中红外成像仪(还照顾有低分辩率光谱仪和日冕仪)和中等分辩率光谱仪之间分光。颠末滤光,或通过光谱分光,最终将其汇聚到探测器阵列上(如图6)。

将四种次要仪器和浩繁子系统集成到一个无效载荷 ISIM 中是一项艰难的工做。 为了简化集成,工程师将 ISIM 划分为三个区域(如图4):

题注:韦布通过将冷却至极低温的大口径太空千里镜(估计是斯皮策红外天文千里镜的50倍活络度和7倍的角分辩率)和最先辈的红外探测器工艺相连系,带来了科学能力的庞大前进。它将为以下四个科学使命做出主要贡献:

此中,最惹人瞩目的,即是韦布千里镜的中红外仪器 (MIRI,Mid-inred Instrument) 。MIRI包含一个中红外成像相机和数个中红外光谱仪,能够看到电磁光谱中红外区域的光,这个波长比我们看到的要长。

别急,这确实是韦布千里镜用它的近红外相机(NIRCam)拍的第一张照片。切当来说,这只是第一张马赛克拼图的两头部门。一共18个亮点,每个亮点都是斗极七星附近的统一颗恒星。由于韦布的从镜由18块正六边形镜片拼接而成,之前为了可以或许塞进火箭狭小的“货舱”发射升空,韦布连从镜片都折叠了起来,曲到不久前才完全展开。但这些从镜片还没有对齐,于是便有了首张照片上那18个看似随机分布散斑亮点。

图5示出了MIRI的全体形成及其子系统正在韦布三大区域中的分布环境。包含成像相机,光谱仪,日冕仪的光学模块 (OM) 位于集成科学仪器模块 (ISIM) 内,工做温度为 40K。 OM 和焦平面模块 (FPM) 通过基于脉冲管的机械自动冷却器降低温度,航天器中的压缩机 (CCA) ,节制电子设备 (CCE) 和制冷剂管线 (RLDA) 将冷却气体(氦气)带到 OM 附近实现自动制冷。仪器的机械位移,由仪器节制电子设备 (ICE) 节制,焦平面的精细调整,由焦平面电子设备 (FPE) 操做,两者都位于上述放置正在 ISIM 附近的较温暖的“区域 2”中。

探测器是接收光子并最终转换为可丈量的电压信号的器件。每台光谱仪或成像仪都有本人的探测器阵列。韦布需要极其活络的,大面积的探测器阵列,来探测来自遥远星系,恒星,和的微弱光子。韦布通过扩展红外探测器的先辈手艺,出产出比前代产物乐音更低,尺寸更大,寿命更长的探测器阵列。

“区域 1” 是低温仪器模块,MIRI探测器就包含正在此中。这部门区域将探测器冷却到 39 K,这是需要的第一阶段的冷却方针,以便航天器本身的热量,不会干扰从遥远的探测到的红外光(也是一种热量辐射)。ISIM和光学千里镜(OTE)热办理子系统供给被动冷却,而使探测器变得更冷,则需利用其他体例。

MIRI 的不雅测涵盖 5 至 28 微米的中红外波长范畴(图3)。 它活络的探测器将使其可以或许看到遥远的星系,新构成的恒星,以及柯伊伯带中的彗星及其他物体的微弱的红移光。 MIRI 的红外相机,将供给宽视场、宽谱带的成像,它将承继哈勃千里镜环球注目的成绩,继续正在红外波段拍摄令人惊讶的天文摄影。 所启用的中等分辩率光谱仪,有能力察看到遥远新的物理细节(如可能获取的地外大气红外光谱特征)。MIRI 为中红外波段天文不雅测供给了四种根基功能:

4. 中红外日冕仪:包含一个Lyot滤光器和三个4象限相位掩模日冕仪,均针对中红外光谱区域进行了优化。

韦布的MIRI是由欧洲天文科研机构和美国喷气推进尝试室 (JPL) 结合开辟的。 MIRI正在欧洲的首席研究员是 Gillian Wright(英国天文手艺核心),正在美国的首席研究员是 George Rieke(亚利桑那大学)。 MIRI 仪器科学家,是 英国天文手艺核心 的 Alistair Glasse 和 喷气推进尝试室 的 Michael Ressler。

图2. 韦布千里镜的次要子系统和组件,中红外仪器MIRI位于集成科学仪器模组(ISIM)。原图来历:NASA

而MIRI 的焦点中红外探测功能,则是由三块砷的硅探测器(Si:As)阵列供给。此中,中红外相机模块供给宽视场,宽光谱的图像,光谱仪模块正在比成像仪更小的视场内,供给中等分辩率光谱。MIRI 的标称工做温度为7K,如前文所述,利用热办理子系统供给的被动冷却手艺无法达到这种温度程度。因而,韦布照顾了立异的自动双级“低温冷却器”,特地用于冷却 MIRI的红外探测器。脉冲管预冷器将仪器降至18K,再通过Joule-Thomson Loop热互换器将其降至7K方针温度。