空间红外望远镜_SIRTF_

空间红外望远镜_SIRTF_ ( )空间红外望远镜 SIRTF 张荣辉 赵秋艳 ()北京空间机电研究所 ,北京 100076 ( ) 摘要 文章 介 绍 了 空 间 红 外 望 远 镜 装 置 SIRTF Space Infrared Telescope Facility的 用 途 , 详 细 介 绍 了 ( ) ( SIRTF 上携带的低温望远镜装置 CTA Cryogenic Telescope Assembly和 3 台成像仪器 :红外阵列相机 IRAC In2 ) ( ) ( frared Array Camera、红外光谱仪 IRS Infrared Spectrogram和多谱段成像分光计 MIPS Multiband Imaging Pho2 ) tometer for SIRTF。 关键词 空间红外望远镜装置 SIRTF 低温望远镜装置 CTA 红外阵列相机 IRAC 红外光谱仪 IRS 多谱段成像分光计 MIPS () 文献标识码 : A中图分类号 : TP73212 文章编号 :1009 - 8518 200302 - 0043 - 07 THE SPACE INFRARED TEL ESCOPE FACIL ITY Zhang Ronghui Zhao Qiuyan ()Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity , Beijing 100076 ( ) The Space Infrared Telescope Facility SIRTFcomposes of a 0185 - meter telescope and three cryo2 Abstract genically - cooled science instruments , it will be the largest infrared telescope ever launched into space1 The paper intro2 ( ) ( ) duces the Cryogenic Telescope AssemblyCTAand the three science instruments : the Infrared Array Camera IRAC, ( ) () the Infrared Spectrogram IRSand the Multiband Imaging Photometer for SIRTFMIPS1 ( )( )Key Words Space Infrared Telescope Facility SIRTF Infrared Array Camera IRAC Infrared Spectrogram ( ) ()IRSMultiband Imaging Photometer for SIRTFMIPS 2003 年 4 月 15 日 ,空间红外望远镜装置 SIRTF ( ) Space Infrared Telescope Facility将由 Delta 火箭从卡 1 概述 那维拉尔角发射升空 。SIRTF 是一种通过红外光探 测宇宙的新型平台 ,在两年半的运行中 ,它将探测波 太空中的许多区域充满了大范围的 、厚厚的气 μ 长范围为 3,18 m 的红外能量 。居于这个波长范 团和尘埃 ,阻挡了光学望远镜的观测 ;而红外光可以 围的红外辐射大部分都被地球大气阻隔了 ,从地面 是无法观测到的 。SIRTF 携带了 1 台 0185 m 的望远 穿透这些云团和尘埃 。借助红外望远镜我们可以观 镜和 3 台成像仪器 ,其体积较大 ,它将是至今发射至 测到卫星的构成 、银河系的中心和新形成的星系 ;我 太空的体积最大的红外仪器 。其空间运行姿态见图 们还可以获得太空中低温目标的信息 ,例如那些用 1 。可见光观测时非常暗淡的小行星 、太阳系以外的行 星以及巨大的云团 。而且 ,空间的许多云团的特性 收稿日期 :2003 - 03 - 03 能在红外光下显示出来 。SIRTF 将为人类获得独一 地球跟踪太阳轨道 ,独特的运行轨道将使 SIRTF 远 无二的宇宙景观 。离地球 ;这样 ,它就不必携带大量的制冷剂 。这项改 进显著地降低了费用 。 SIRTF 的成功研制可以被看作是一项奇迹 , 它 采用了许多以前的航天器上从未出现过的新技术 。 SIRTF 主要由两部分组成 : 第一部分是低温望远镜 ( ) ( 装置 CTA Cryogenic Telescope Assembly包括望远 ) 镜和 3 台成像仪器;第二部分是卫星平台 。因为望 远镜必须要冷却至绝对零度左右才能正常工作 ,而 卫星需要在室温条件下运行 ,所以这两部分经常被 称作 SIRTF 的“冷”部分和“暖”部分 。图 2 为 SIRTF 的结构图 。 望远镜外壳可以把热量辐射到背朝太阳的冷 空 ;太阳电池帆板为望远镜遮挡太阳光 ;中间防护部 图 1 SIRTF 的空间运行姿态模拟图 分阻断来自太阳电池帆板和卫星平台的热量 。外层 因为红外光根本上是热辐射 ,所以望远镜必须 防护采用气体制冷 ,即 :用氦罐里的氦气冷却 。望远 冷却到绝对零度 ,这样它才能在没有望远镜自身热 镜固定在蒸汽制冷的低温防护罩的顶部 。在发射的 干扰的条件下探测空间的红外信号 ; 而且望远镜也 过程中 ,望远镜和低温防护罩变热 ,一旦入轨它们就 必须防止来自 太 阳 和 地 球 的 热 辐 射 。所 以 , SIRTF ( 冷却 下 来 。多 种 仪 器 室 MIC Multiple Instrument 在发射轨道时将携带遮光罩 。而且 SIRTF 选择的是 ) Chamber里安装着各种科学仪器 ,它直接固定在氦 罐上 。 ) aSIRTF 的外部结构图 b SIRTF 的剖面图 图 2 SIRTF 的结构 持低温状态 。 SIRTF 携带的 3 台科学仪器分别是 : 红外阵列 ( ) 卫星平台由内部管理和各种控制子系统构成 ,包括 : 相机 IRAC Infrared Array Camera 、红外光谱仪 IRS 通讯子系统 、反应控制子系统子系统 、定位控制子系 ( ) Infrared Spectrograph 和 多 谱 段 成 像 分 度 计 MIP 统 、指令和数据处理子系统以及能源的产生和分配 () Multiband Imaging Photometer for SIRTF。 子系统等 。星敏感器和陀螺仪固定在卫星平台上 。 211 SIRTF 的红外阵列相机 IRAC 主天线在卫星平台的尾部 。反应控制系统推进器位红外阵列相机 IRAC 具有在近红外谱段和中红 于卫星平台的桁架上 。外谱段成像的能力 。它是一台多用途相机 , 用于 4 ( SIRTF 是 NASA 的 GOP Great Observatories Pro2 项目的 : ) gram的最后一项 。GOP 计划包括 4 台轨道观 )1 研究宇宙的初期状况 ; (γ 测仪 ,4 台观测仪以宇宙中的不同光线 可见光 、射 )2 寻找和研究褐色矮星和超行星 ; ) 线 、X - 射线和红外光作为观测对象 。另外 3 台观 )3 研究超亮星系 ; 探索和研究行星( ) γ 测仪为 Hubble 空间望远镜 HST, Compon 射线观 ( ) ( ) 测仪 CGRO和 Chandra X 射线望远镜 HST。SIRTF )碎片的影响 。 4 (也是 NASA 的起源天文搜索计划 Astronomical Search 表 1 IRAC 的特性参数) for Origins Program的一部分 ,其提供的信息可以帮 μ波长/ m 探测器类型 分辨能力 视场 助我们了解宇宙的起源 ,星系 、恒星和行星的发展和 316 InSb 417 构成 。 5117’×5117’ 415 InSb 414 5115’ × 5115’ 518 SiAs 410 5118’ × 5118’ 810 SiAs 218 5116’ × 5116’ IRAC 具有高灵敏性和大视场的特点 。有 4 个 2 SIRTF 低温望远镜装置 CTA μμ成像谱段 ,可以同时获得波长为 316m 、415m 、518 μμm 和 8 m 的 图 像 。4 个 探 测 器 阵 列 的 像 元 均 为SIRTF 的 低 温 望 远 镜 装 置 CTA 主 要 包 括 4 部 分 :1 台 超 流 体 氦 低 温 保 持 器 、1 台 轻 型 85 cm 的 256 x 256 。其中两个波长短的谱段使用的是 InSb 探 Ritchey - Chretien 望 远 镜 、外 壳 组 件 和 多 种 仪 器 室 测器阵列 ,工作温度约为 15 K; 另外两个波长长的 () 内有 3 台成像仪。CTA 通过低热传导率的支柱和 SiAs 探测器阵列 ,工作温度约为 6 K。 谱段使用的是 热辐射防护层与卫星热隔离 。太阳电池帆板和卫星 IRAC 采用了二色性分光镜 ,两个相邻的视场形成像 防护层阻断来自太阳和卫星部件的热量 ,使 CTA 保 ( μμμμ) 对 316 m 和 518 m ; 415 m 和 810 m。因 为 (IRAC 为内部有限衍射成像 Diffraction - limited imag2 3 和图 4 分别为 IRAC 的焦平面和结构模拟 图 ) 图 。ing internally,所以图像质量主要受 SIRTF 望远镜的 限制 。 图 3 IRAC 的焦平面 图 4 IRAC 结构模拟图 来自望远镜的光线由两个视场的反射镜反射 , ,采用了多重采样 。首先经 了降低读出噪声的影响 ( ) 进入 IRAC 结构 。分光镜把短波光线反射进入 InSb过 N 次连续读出 每次读出需要 012 s后形成一幅 () 探测器 谱段 1 和 2,把长波光线反射进入 SiAs 探 图像 ,随后经过特定的积分时间 , 再次经过 N 次连 (续读出 。) 测器 谱段 3 和 4。IRAC 的成像原理图见图 5 。为 ( IRAC 没有可移动部件 除了快门 ,它在飞行过 ) 程中不工作,它通过凝视太空和对阵列取样获取数 据 。其 4 个探测器阵列可以同时工作也可以单独工 作 。 IRAC 采 用 了 两 种 内 部 校 准 灯 : 传 输 定 标 灯 () (transmission calibrator lamp和泛光定标灯 flood cali2 ) brator。传输定标灯可用于 4 个阵列的照明 , 并进 行内部响应测量 。共有两个传输定标球 ,每个传输 定标球包括两个灯源 。给阵列照明时 ,快门关闭 ,1 个传输定标灯亮 ,发射镜把光线反射到快门的背面 。 泛光定标灯用于单个探测器的独立照明 ,它可以单 独控制 ,无论在快门开时还是关闭时都可以使用 。 ( )IRAC 由 NASA 的 Goddard 空间飞行中心 GSFC 制造 。 图 5 IRAC 的成像原理图 212 SIRTF 的红外光谱仪 图 6 SIRTF 的红外光谱仪 红外光谱仪 IRS 为 1 台工作在中红外光区的同 一个探测器阵列可以同时采集到光谱信息和一维空 时具有高分辨率和低分辨率的光谱仪 。IRS 具有 4 间信息 。低分辨率模块的每个孔径被分成几个功能μ个相互独立的模块 :1 个光谱范围为 513,14 m 的 () 块 子光阑。这些子光阑进行第一次和第二分光 。短波 - - 低分辨率模块 ; 1 个光谱范围为 10,1915 每个高分辨率模块都有 1 个光阑 。光阑宽度的公差 μm 的短波 - - 高分辨率模块 ;1 个光谱范围为 14, 为 ?5 % 。短波 - - 低分辨率模块的两个小成像子μ 40m 的长波 - - 低分辨率模块 ;1 个光谱范围为 19 阵列允许目标信息精确进入 IRS 每个入射子光阑 。 μ,37 m 的长波 - - 高分辨率模块 。每个模块都有 高分辨率模块采用了交叉分散的梯形 ,可对一 自己的入射光栅 ,探测器为 128 x 128 阵列 。短波范 些探测器阵列进行光谱测量和有限空间测量 。4 个 围的探测器为用砷处理的硅探测器 ; 长波范围的探 模块都没有采用主动调焦控制 ,焦平面上图像的调 测为用锑处理的硅探测器 。 焦是通过在 FPMA 和模块室之间放置了一个机械隔 IRS 包 括 两 个 相 互 独 立 的 部 分 : 安 装 在 SIRTF 板实现的 。IRS 没有移动部件 , 同一探测器阵列有 的多 种 仪 器 低 温 装 置 室 内 的 低 温 组 件 ; 安 装 在 多种用途 ,望远镜的运动由仪器光栅的机械运动所SIRTF 卫星平台上的“暖”电子器件 。其特性参数见 取代 。 表 2 。 IRS 的光阑与 SIRTF 的焦平面不平行 。短波 - 低分辨率模块采用了长光阑的设计 ,这样在同 - 高分辨率模块的光阑与长波 - - 高分辨率模块的 3 MIPS 的特性参数 表 光阑之间的夹角为 84180 ; 短波 - - 低分辨率模块 μ/m 线阵类型 分辨力 视场 波长的光阑与长波 - - 低分辨率模块的光阑之间的夹角 为 85190 。 24 SiAs 5 512’ × 512’ 16’×216’2 IRS 具有焦面正常功能运行的自测能力 。4 个70 Ge Ga 4 513’x513’“冷”仪器舱中每个舱内在靠近阵列的位置都有 1 个 Ge Ga 55,9915,250132’ × 318’内部射灯模拟源 ,通过它可以测量探测器的响应率 。 )(160 5 Ge Ga 经压缩015’ × 513’所有的反射镜和光栅都是由金刚石加工的铝制成 () 1扫描成像模式 ,在几乎同一时刻对空间中较 的 ,滤波器采用的是多层干涉滤波器 。 大的区域形成全色或多谱段成像 ; 表 2 IRS 的特性参数 () 2光度测量和超分辨率模块 ,用于对直径小的 μ波长/ m 探测器类型 分辨能力 视场 物源成像 ,包括对点源成像 ; SiAs 513 , 1462,124316” × 5416” () μ3光谱能量分配模块 ,用于在 70m 谱段获得 1315,1815,3 1’ × 112’ SiAs () 低分辨率 约 20的图像 ; 1815,26 () 4总功率模块 ,用于测量大范围 、散发高能量 SiAs 600 10 ,1915513” × 1118” SiSb 14,4062,124917” × 15113”的光线的绝对亮度 ,例如 ,黄道带的光线 。 SiSb 600 19 ,371111” × 2214” 214 SIRTF 的低温保持器 ()213 SIRTF 的多谱段成像光度计 MIPS 一般来说 , SIRTF 的有效载荷只有在低温状态 SIRTF 的多谱段成像光度计使 SIRTF 在较大的 下才能正常工作 ,这是因为它们采用了对热非常敏 光谱范围内具有成像和光度测量能力 ,其标称谱段 感的红外探测器 。如果这些仪器不能足够的“冷”, μμμ 分别 以 24 m 、70m 和 160m 为 中 心 ; 其 在 52 ,那么来自这些仪器本身的热量将对来自空间观测目 μ99m 之间还具有低分辨率分光镜的作用 。MIPS 有标的热量产生干扰 , 进而影响观测结果 。SIRTF 的 3 个相互独立的探测器阵列同时观测太空 : 其中 1 低温保持器能够使这些科学仪器的温度在 5 年内一 μ个是在 24 m 成像的 128 × 128 阵列的 SiAs 探测 直保持在 114 K。 μ器 ;1 个是在 70m 成像的 32 × 32 阵列的 Ge Ga 探 测 SIRTF 低温保持器是通过放出液氦罐中的氦气 μ器 ;1 个是在 160 m 成像的 2 × 20 阵列的 Ge Ga 探测 μ器 。32 × 32 阵列的探测器也用于 50,100 m 的光谱来使 SIRFT 的仪器保持低温的 。低温保持器由真空 范围 。随着望远镜的运动 ,MIPS 对太空中一 点形成外壳 、内部和中间蒸汽冷却防护层 、氦罐和流体管理 μ多谱段图像 。。70 m 阵列的视场较窄 ,具有 更高 的 系统 。氦罐内装有 360 cm3 超流体氦 。 放 大 倍 数 , 同 样 也 具 有 1 个 分 光 镜 模 式 。 MIPS 望远镜固定在低温保持器的顶部 。望远镜和低 扫描镜的机械装置与整个观测操作是一个整 体 ,可 温保持器在发射的过程中会变热 ,一旦入轨 ,温度就 以选择不同的光学路径 、扫描成像过程中的图 像移动 补偿以及一维图像抖动 。 会降至 35 K 左右 。在地面运行和发射过程中 ,低温 3 个探测器阵列 、定标灯 、扫描镜和光学器件组 保持器的真空外壳必须完全密封 。在太空中低温保 成了 MIPS 的“冷”部分 。这些组件安装在 SIRTF 的 持器冷却下来后 ,外壳顶部的一扇门将打开使光线 低温仪器室内 。另外 ,MIPS 和 IRS 共享用于运行控 进入多种仪器室 。 制的“暖”电子器件 。MIPS 唯一的可动部件是扫描 215 外壳组件镜 。 ( SIRTF 的外 壳 由 防 尘 盖 、外 防 护 层 由 氦 气 冷 MIPS 的特性参数见表 3 。 ) () 却、热防护层 用于阻断来自空间的辐射和太阳电 MIPS 具有 4 种基本的运行模式 ,即有 4 种空间 池帆板构成 。望远镜和低温保持器都安装在外壳() 观测模式 AOTS Astronomical Observation Templates, 上 ;SIRTF 外壳阻挡外部的热量辐射到望远镜和仪 器上 ,把这些热量辐射至冷空 。 外壳由质量很轻的铝蜂窝夹层结构制成 。在背 增加氦的使用时间 , 外壳的温度必须尽可能的低 。 CTA 不直 太阳电池帆板将为飞行器提供能量保护 外壳的热源分别为卫星平台 、太阳电池帆板和星跟 接暴露在太阳光下 。卫星的功能是包括种仪器提供 踪器 。 电能 、为望远镜导向和支撑 、采集并压缩各种仪器获 得的数据并随后把处理后的数据传输至地面 、执行外壳顶部有一个可弹射盖 ,用于排出不需要的 存储的指令引导仪器的操作 、与地面系统通信等 。 干氮 ;如果这些干氮不排除 ,会污染望远镜的反射镜 (SIRTF 的所有通信将通过 NASA 的深空网络 DEEP 和其它仪器的表面 。 ) space Network完成 。 SIRTF 的太阳电池帆板组件将为 SIRTF 的运行 3 SIRTF 的卫星 提供电能 。它两块帆板组成 ,每块帆板有 392 块太 SIRTF 的卫星 ,即“热”部分 ,包括太阳电池帆板 阳电池 ,每块电池的面积为 515 cm × 615 cm 。这些 电池总共可以提供 427 W 的电能 。太阳电池帆板的 组件 、卫星平台以及安装在卫星平台上实现 SIRTF 功能的部件 。这些部件包括 :太阳电池帆板 、指令和 50 %外覆太阳电池 ,50 %外覆光学太阳反射镜 。这数据处理器 、反应控制子系统 、通讯子系统 、能源产 些反射镜可以把帆板的温度降至 330 K。楔型的电 池帆板的楔角远离 SIRTF 的外壳 ,以便提高对太空 生和分配子系统 、定位控制子系统和飞行软件 。 卫星采用了八角形的结构 ,各种电子设备和仪 的观测系数并能更好的与外壳热隔离 。 器的“暖”电子器件都安装在卫星平台上 ,卫星上的 作者简介 : 张荣辉 , 女 ,1974 年生 。1996 年毕 业 于 武 汉测绘大学 。