32亿像素,世界最大的数码相机,为什么要抽真空?

32亿像素,世界最大的数码相机,为什么要抽真空?

LSST介绍

LSST全称为Large Synoptic Survey Telescope,坐落于智利CerroPachón山顶,是一个计划中的广视野巡天反射望远镜。

夜空并非一成不变。我们都知道,太阳东升西落,其他的恒星、行星等也都按照各自不同的轨迹运行。而且,整个星系在不停地旋转,宇宙本身也在不断扩张,还会超新星爆发等宇宙活动。

LSST旨在对2022年开始的光学天空进行前所未有的长达十年的调查,其背后的概念非常简单:对巨大的天空区域进行深入调查,一遍又一遍地拍摄夜空,并对不同时间拍到的场景进行比对,可以帮助科学家发现新的变化,并找到隐藏在背后的原因。

LSST每晚会拍摄大概800张照片,每隔几个夜晚对整个天空拍摄一遍,并持续在这种模式下工作10年,以实现比以前丰富数千倍的天文目录。在这个过程结束时,望远镜将比地球上的设备编制更多的星系!其庞大的数据存档将极大地提升我们对构成宇宙95%的暗能量和暗物质的知识,以及了解星系形成和观测潜在危险的小行星。

世界最大的数码相机

为了拍到超级清晰的照片,LSST设计了一个超级数码相机,该相机具有口径8米的超级长焦望远镜,和重达3吨的数码相机。该数码相机的分辨率高达32亿像素,每晚将拍摄15TB的照片。

摄像机的“心脏”——位于焦平面的感光元件由189块高精密的CCD传感器组成,这些传感器被安装在一个超级平的陶瓷平台上,一套低温恒温器会将这些传感器冷却到零下100度左右,这可以防止传感器出现额外的噪点和温漂,还可以持续冷却工作时不断发热的电子设备,因为传感器周围将保持真空以防止灰尘,由于真空的绝热作用,如果没有特殊的设计,传感器及其它电子设备的发热将无法导出。

对真空系统的要求近乎苛刻

LSST相机需要尽可能多地去除正常大气中的气体来保护相机的核心,同时在非常具有挑战性的环境和操作条件下控制压力以与环境进行完全的热隔离。

由于该相机的像素超高,其对“防抖”,即外界振动的要求也超高,所使用的真空泵工作时必须振动极低;并且,由于该项目要在10年寿命期间持续运行,其对真空泵的可靠性和寿命也有极高的要求;此外,智利山顶的温度在-10~10℃之间,而一般的真空泵要求的环境温度为0℃甚至5℃以上,因为在较低的温度范围内,轴承润滑剂和电子设备可能会发生故障。

真空系统介绍

LSST真空系统的主泵需在项目启动后将连续10年不间断运行。据悉,项目团队综合考虑后,选择了安捷伦的VIP离子泵作为主泵,选择离子泵的一个原因是它们没有活动部件,在泵运行期间没有振动——任何振动都会干扰LSST的相机并影响所拍摄照片的质量。此外,安捷伦离子泵的寿命很长,在5E-7mbar的真空度下,所选型号的离子泵寿命可以达到50年,可以确保其在LSST项目的预期10年寿命期间连续运行。安捷伦离子泵及离子泵控制器的故障率极低,可以使系统停机的概率最小化。

该真空系统还配有安捷伦 IDP系列干式涡旋泵,以及84FS和304FS涡轮分子泵。为确保可靠运行,安捷伦工程师提供了一种特殊的解决方案,使干式涡旋泵和涡轮分子泵可以在零下10℃的低温环境可靠地运行。

IDP系列干泵可以内置一体式隔离阀,该阀在干泵突然断电后会立即关闭,而在供电恢复后不会立即打开,直到泵内的压力下降到与泵口相当时才会打开,这样就避免了开泵瞬间的气体返流冲击分子泵造成分子泵报警停机,确保系统真空不会被破坏。

项目最新进展

2008年1月,电脑软件界的两位大富豪,查尔斯·西蒙尼和比尔·盖兹分别捐赠2000万美金和1000万美金给LSST计划。LSST计划至今仍寻求美国国家科学基金会能拨发将近4亿美金的赞助费。相机打造完成之后,天文学家可以用来研究从宇宙大爆炸到附近小行星的一切。因为要考虑到望远镜稳定性、不良气候等不利因素,LSST的照相机每年要拍摄超过20万张高清影像,非常令人振奋的是,这些数据将会是开放的,所有人都有机会分享。

在他们的官方网站上了解有关LSST项目的更多信息:

https://www.lsst.org

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