Design, assembly, and initial test results of a cryostat for holographic characterization of microwave telescopes

Diep in de koude stilte van de ruimte fluistert nog steeds een zwakke nagloed van de geboorte van het universum naar ons. Dit oeroude licht, bekend als de kosmische achtergrondstraling, draagt een kaart van het vroege kosmos, maar om het duidelijk te kunnen lezen, moeten onze instrumenten worden afgeschermd van de warmte van onze eigen wereld. Zelf de warmte van een menselijke hand of de warmte van een kamer kan deze delicate signalen overstemmen, waardoor een mist ontstaat die de waarheid vertroebelt. Om het universum te zien zoals het werkelijk was, moeten wetenschappers telescopen bouwen die werken op temperaturen die kouder zijn dan de diepten van de ruimte, waarbij ze hun gevoelige detectoren bevriezen totdat ze bijna bewegingsloos zijn. Maar voordat deze instrumenten naar de rand van de atmosfeer of de baan om de aarde kunnen worden gestuurd, moeten ze worden getest in een gecontroleerde omgeving die die extreme omstandigheden nabootst. Dit is waar een nieuwe, op maat gemaakte machine in beeld komt, ontworpen niet om naar de hemel te kijken, maar om ervoor te zorgen dat de ogen van onze telescopen perfect scherp zijn.

Een team van onderzoekers in IJsland heeft een gespecialiseerde kamer ontworpen, gebouwd en getest die in staat is een telescoop op ware grootte vast te houden terwijl deze wordt afgekoeld tot nabij het absolute nulpunt. Dit apparaat, een cryostaat genoemd, is een lang, cilindrisch vacuümvat gemaakt van aluminium, dat bijna anderhalve meter hoog is. De taak ervan is om een vacuüm te creëren dat interferentie met het experiment minimaliseert, terwijl de temperatuur binnenin tegelijkertijd wordt verlaagd naar een ijzige vier graden boven het absolute nulpunt. Hoewel het uiteindelijke vacuüm extreem stabiel is, merkten de onderzoekers op dat er een kleine restdruk overblijft, waarschijnlijk veroorzaakt door oliën in het vat of de natuurlijke doorlaatbaarheid van de rubberen afdichtingen. Binnen deze bevroren kamer kunnen de onderzoekers de spiegels en lenzen van microgolftelescopen testen met een techniek die holografie wordt genoemd, waarmee de vorm van lichtgolven in kaart wordt gebracht om te garanderen dat de telescoop correct focust zodra deze wordt ingezet. Het project is onderdeel van een grotere inspanning om de manier waarop we de kosmische achtergrondstraling bestuderen te verbeteren, voortbouwend op eerder werk dat aantoonde hoe cruciaal nauwkeurige metingen zijn voor het begrijpen van de oorsprong van het universum.

Het hart van deze machine is een tweetraps koelsysteem dat wordt aangedreven door een mechanische koelkast die pulsen gas gebruikt om warmte te verwijderen. Deze koelkast is via flexibele koperen banden met de binnenkant van de kamer verbonden, die fungeren als thermische bruggen en de kou vanuit de machine de vacuümkamer in voeren. Het interieur is verdeeld in twee hoofdzones: een buitenlaag die op een matig koude temperatuur wordt gehouden om warmte uit de kamer te blokkeren, en een binnenkern die de extreme kou bereikt die nodig is voor het testen. Deze lagen worden van elkaar gescheiden door dunne steunen gemaakt van een speciale plastic-glas composiet die fungeert als een thermische isolator, waardoor de kou niet naar buiten lekt en de warmte niet naar binnen lekt. De gehele structuur is gewikkeld in meerdere lagen reflecterende folie, vergelijkbaar met een thermische deken, om eventuele rondvliegende straling weg te kaatsen die de gevoelige apparatuur zou kunnen opwarmen.

Het bouwen van een dergelijk precies vat was een aanzienlijke uitdaging, vooral omdat het de eerste van zijn soort was die volledig in IJsland werd vervaardigd. Het team werkte samen met lokale ingenieurs om platen aluminium aan elkaar te lassen tot een naadloze cilinder, een proces dat extreme zorg vereiste. Toen het vat voor het eerst werd verzegeld, was het niet luchtdicht; minuscule lekken lieten lucht binnensijpelen, waardoor het vacuüm niet goed kon worden gevormd. De onderzoekers gingen een rigoureuze tweemaandelijkse campagne aan om deze lekken te vinden en te repareren. Ze gebruikten een methode waarbij heliumgas werd gebruikt, dat klein genoeg is om door microscopische scheurtjes te ontsnappen, en een gevoelige detector die het sissen van ontsnappend gas kon horen. Door verdachte gebieden met het gas te besproeien en de detector in de gaten te houden, konden ze lekken lokaliseren tot op enkele centimeters nauwkeurig. Ze ontdekten dat de moeilijkste lekken zich bevonden in de lasnaden waar verschillende stukken metaal bij elkaar kwamen, vooral rond de cirkelvormige flenzen en de poorten waar buizen aansluiten.

Het team bracht weken door met het repareren van deze zwakke punten, waarbij ze de gebrekkige secties van de las uitvonden en ze opnieuw lasten met vers metaal. In één bijzonder hardnekkig geval liep er een barst door een groef bedoeld voor een rubberen afdichting op een grote buisverbinding. Om dit te herstellen, moesten ze de hele groef dichtlassen en deze vervolgens weer glad machineren, een traag en voorzichtig proces. Door dit iteratieve werk verminderden ze de snelheid waarmee lucht in de kamer lekte met meer dan drie ordes van grootte. Tegen de tijd dat de test voltooid was, hield de kamer een vacuüm vast dat zo stabiel was dat de druk binnenin in tien minuten slechts een fractie steeg, een prestatieniveau dat geschikt is voor delicaat wetenschappelijk werk. Het eindproduct is een robuust, lichtgewicht vat dat nu de complexe optische buizen van een telescoop kan huisvesten, waardoor wetenschappers hun ontwerpen kunnen verifiëren in een koud, donker vacuüm voordat ze de grond verlaten.

Nu het vacuümvat gekwalificeerd en verzonden is naar de Universiteit van IJsland, is de volgende stap om de binnenste lagen in hun thermische dekens te wikkelen en de laatste componenten te assembleren. Het team is van plan om eind augustus de eerste volledige koeltest uit te voeren, een mijlpaal die zal markeren dat voor het eerst een volledig ontworpen en gebouwd cryogeen systeem in het land is voltooid. Deze prestatie biedt een nieuw, flexibel platform voor het valideren van de prestaties van toekomstige telescopen, waardoor wordt gegarandeerd dat wanneer ze uiteindelijk naar het kosmos kijken, ze het universum helder zien, vrij van de interferentie van hun eigen warmte.