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什么？韦布天文望远镜也用上了碲镉汞红外探测器？

发布时间：2024-01-16 11:40:12 来源：新闻中心

和先进的红外探测器工艺相结合，带来了科学能力的巨大进步。它将为以下四个科学任务做出重要贡献：

近红外相机(NIRCam)拍的一张照片。确切来说，这只是一张马赛克拼图的中间部分。上面一共18个亮点，每个亮点都是北斗七星附近的同一颗恒星。因为韦布的主镜由18块正六边形镜片拼接而成，之前为了可以塞进火箭狭窄的“货舱”发射升空，韦布连主镜片都折叠了起来，直到不久前才完全展开。但这些主镜片还没有对齐，于是便有了首张照片上那18个看似随机分布散斑亮点。

2.韦布望远镜的主要子系统和组件，中红外仪器MIRI位于集成科学仪器模组(ISIM)。原图来源：NASA

2所示，韦布望远镜的主、副镜片经过精细调整和校准后，收集来自遥远太空的星光，并将其导引至集成科学仪器模组(ISIM)做多元化的分析。ISIM包含以下四种仪器：

4.集成科学仪器模组(ISIM)的三大区域在韦布上的位置。图源：NASA

ISIM中是一项艰巨的工作。为了简化集成，工程师将ISIM划分为三个区域(如图4)：

1”是低温仪器模块，MIRI探测器就包含在其中。这部分区域将探测器冷却到39 K，这是必要的最初阶段的冷却目标，以便航天器自身的热量，不会干扰从遥远的宇宙探测到的红外光(也是一种热量辐射)。ISIM和光学望远镜(OTE)热管理子系统提供被动冷却，而使探测器变得更冷，则需使用其他方式。“

2”是ISIM电子模块，它为电子控制设备提供安装接口和较温暖的工作环境。“

3”，位于航天器总线系统内，是ISIM命令和数据处理子系统，具有集成的ISIM飞行控制系统软件，以及MIRI创新的低温主动冷却器压缩机(CCA)和控制电子设备(CCE)。

5示出了MIRI的整体构成及其子系统在韦布三大区域中的分布情况。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，工作时候的温度为40K。OM和焦平面模块(FPM)通过基于脉冲管的机械主动冷却器降低温度，航天器中的压缩机(CCA)，控制电子设备(CCE)和制冷剂管线(RLDA)将冷却气体(氦气)带到OM附近实现主动制冷。仪器的机械位移，由仪器控制电子设备(ICE)控制，焦平面的精细位置调整，由焦平面电子设备(FPE)操作，两者都位于上述放置在ISIM附近的较温暖的“区域2”中。

6. ISIM低温区域1(安装于主镜背后)中的MIRI结构设计及四个核心功能模块的位置。原图来源：NASA

(仪器内)在中红外成像仪(还携带有低分辨率光谱仪和日冕仪)和中等分辨率光谱仪之间分光。经过滤光，或通过光谱分光，最终将其汇聚到探测器阵列上(如图6)。

7. (左)韦布望远镜近红外相机(NIRCam)的碲镉汞探测器阵列，(右)MIRI的红外探测器(绿色)安装在一个被称为焦平面模块的块状结构中，这是一块1024x1024像素的砷掺杂硅像素阵列(100万像素)。图源：NASA。

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，右图是用于探测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制造。“H2RG”是Teledyne产品线的名称。中红外探测器，由同样位于加利福尼亚的Raytheon Vision Systems制造。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格计算，一块韦布碲镉汞探测器阵列的价格就要四十亿美金！！！为了拓展人类天文知识的边界，韦布这回真是不计血本啊！)

通过改变汞与镉的比例，能调整材料以感应更长或更短波长的光子。韦布团队利用这一点，制造了两种汞-镉-碲化物成分构成的探测器阵列：一种在0.6 - 2.5 μm范围内的汞比例较低，另一种在0.6 - 5 μm范围内的汞含量较高。这具有许多优点，包括能定制每个NIRCam检测器，以在将要使用的特定波长上实现峰值性能。表1显示了韦布仪器中包含的每种类型探测器的数量。

1.韦布望远镜上的光电探测器，其中MIRI包含三块砷掺杂的硅探测器，一块用于中红外相机和低分辨光谱仪，另外两块用于中分辨光谱仪。来源：NASA

8.韦布太空望远镜使用的红外探测器结构。探测器阵列层(HgCdTe或Si:As)吸收光子并将其转换为单个像素的电信号。铟互连结构将探测器阵列层中的像素连接到ROIC(读出电路)。ROIC包含一个硅基集成电路芯片，可将超过100万像素的信号，转换成低速编码信号并输出，以供进一步的处理。图源：Teledyne Imaging Sensors

(如上图)。三明治由三个部分所组成：(1)一层半导体红外探测器阵列层，(2)一层铟互连结构，将探测器阵列层中的每个像素连接到读出电路阵列，以及(3)硅基读出集成电路(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芯片是独立制备的，这种独立制造工艺允许对过程中的每个组件进行仔细调整，以适应不一样的红外半导体材料(HgCdTe或Si:As)。铟是一种软金属，在稍微施加压力下会变形，从而在探测器层的每个像素和ROIC阵列之间形成一个冷焊点。为增加机械强度，探测器供应商会在“冷焊”工艺后段，在铟互连结构层注入流动性高，低粘度的环氧树脂，固化后的环氧树脂提高了上下层的机械连接强度。

探测器中是相同的：入射光子被半导体材料吸收，产生移动的电子空穴对。它们在内置和外加电场的影响下移动，直到它们找到可以存储的地方。韦布的探测器有一个特点，即在被重置之前，可以多次读取探测器阵列中的像素，这样做有好几个好处。例如，与只进行一次读取相比，可以将多个非重置性读取平均在一起，以减少像素噪声。另一个优点是，利用同一像素的多个样本，能够正常的看到信号电平的

，这是宇宙射线干扰像素的迹象。一旦知道宇宙射线干扰了像素，就可以在传回地球的信号后处理中，应用校正来恢复受影响的像素，从而保留其观测的科学价值。