Криостат длиной 1.4 м построили для голографии телескопной оптики

Линза для телескопа реликтового излучения может быть безупречно выверена в лаборатории, а затем слегка сжаться, потянуть крепления и сместить фазу волны после охлаждения. Для видимого света такую перемену ещё можно представить как уход фокуса. В миллиметровом и микроволновом диапазоне она проявляется в полной диаграмме антенны: меняются амплитуда и фаза поля, растут аберрации, вылезают ошибки юстировки и паразитные лепестки.

Группа CMBeam решила проверять оптику в её настоящем состоянии. Для этого изготовлен цилиндрический вакуумный криостат длиной 1.4 м, рассчитанный на голографическую характеризацию полноразмерной трёхлинзовой оптики Taurus. Его задача выглядит непривычно: холодильная машина здесь нужна не для хранения образца и не для охлаждения детекторов. Она создаёт измерительную среду, где микроволновая волна проходит через ту же холодную геометрию, которую увидит телескоп.

Голографическое измерение даёт комплексное поле, то есть одновременно карту амплитуды и фазы. Из неё можно восстановить волновой фронт, распределение поля в апертуре и последствия перекосов оптического тракта. Обычная комнатная beam map способна пропустить дефект, который появляется только после того, как алюминиевые детали, опоры и оптика пережили большой температурный перепад.

Вакуумный сосуд сварен из алюминия 6061; внутри висят два вложенных экрана, рассчитанные примерно на 45 K и 4 K. Холод подаёт двухступенчатый pulse-tube криоохладитель, а медные гибкие теплопроводы отделяют экраны от его головки. Шесть флексур из G-10 держат каждую холодную ступень: им приходится одновременно переносить массу экранов и оптики, ограничивать теплоприток и не превращать подвес в жёсткий путь для вибраций. Самый выразительный узел — 38-сантиметровая микроволново-прозрачная апертура. Через неё стенд должен выпускать и принимать СВЧ-поле, сохраняя внутри глубокий вакуум.

Авторы уже испытали флексуры при комнатной температуре и оценили, что шесть опор выдержат 160 кг подвешенных экранов и оптики. Вакуумный сосуд прошёл отдельную ремонтную кампанию: дефекты сварных швов локализовали, проблемные места вырезали и переварили TIG-сваркой с присадкой ER4043. Сигнал helium leak checker после этого упал с 5×10⁻⁶ до 7.0×10⁻⁹ mbar·L/s — примерно в 700 раз. В статье есть расхождение между подробным и итоговым значениями скорости роста давления после отключения откачки, поэтому этот параметр пока разумно считать величиной порядка 10⁻⁴ mbar/min по авторскому заключению.

Первый криогенный запуск на момент публикации только планировался. Нет ещё измерений температуры собранной 4-K ступени, времени охлаждения, тепловых градиентов, вибраций и самой голографической карты. Но инженерный ход уже вполне материален: огромный криостат превращён в часть СВЧ-анализатора, потому что именно холодная механика определяет, куда телескоп действительно смотрит.