Desafíos del ruido de los criocoolers en detectores de rayos X

Los detectores a baja temperatura son dispositivos que necesitan mantenerse muy fríos, a menudo por debajo de -270 grados Celsius, para funcionar bien. Para alcanzar estas temperaturas tan bajas, utilizan máquinas llamadas criocoolers. Sin embargo, estos criocoolers pueden generar Vibraciones y Ruidos que afectan el rendimiento de los detectores. Este artículo analiza el ruido causado por criocoolers mecánicos en un detector específico de baja temperatura llamado Resolve microcalorímetro de Rayos X, que es parte del satélite XRISM diseñado para estudiar rayos X del espacio.

#Antecedentes sobre Resolve y XRISM

El instrumento Resolve está diseñado para medir rayos X con alta sensibilidad. Necesita un nivel de precisión muy alto, específicamente una resolución de energía de 7 electronvoltios en un nivel de energía de rayos X particular. Para lograr el enfriamiento necesario, Resolve usa cinco criocoolers: cuatro enfriadores Stirling de dos etapas y uno de Joule-Thomson. Estas máquinas ayudan a bajar la temperatura del detector a 4 Kelvin, que está justo por encima del cero absoluto.

Durante las pruebas en tierra, los ingenieros notaron que las vibraciones de estos enfriadores estaban causando ruidos en las señales del detector. Este problema es común en detectores similares alrededor del mundo. Misiones pasadas, como el satélite Astro-H, enfrentaron problemas similares, y los ingenieros tuvieron que encontrar métodos para reducir este ruido. Para Astro-H, se implementó un sistema para aislar la vibración tarde en la fase de diseño, pero aun así, la misión tuvo problemas después del lanzamiento.

#Pruebas en Tierra de Resolve

Para prepararse para el vuelo de Resolve, se realizó una prueba completa en diciembre de 2019 en una instalación especializada. La prueba tenía como objetivo verificar si todos los sistemas estaban funcionando correctamente antes del ensamblaje final para el satélite. Durante esta prueba, se instalaron algunos acelerómetros, que son dispositivos que miden la aceleración, en el tanque de enfriamiento del detector. Ayudaron a monitorear las vibraciones causadas por los criocoolers.

La prueba consistió en hacer funcionar el sistema durante dos semanas mientras se recopilaban datos sobre las vibraciones y la respuesta del detector. Los ingenieros variaron las frecuencias de funcionamiento de los criocoolers para ver cómo esto impactaba los niveles de ruido en el detector.

#Observaciones de Ruido y Vibraciones

Los datos recopilados mostraron que las vibraciones y el ruido resultante en el detector estaban relacionados. Específicamente, las señales de ruido del detector tenían patrones específicos que correspondían a las frecuencias a las que operaban los criocoolers. Se observaron claramente armónicos, o múltiplos de las frecuencias fundamentales producidas por estos dispositivos, en el ruido del detector.

Un hallazgo interesante fue la presencia de ruido de baja frecuencia alrededor de 20 Hz. Esta frecuencia de batido ocurría cuando ciertos armónicos de los criocoolers interactuaban entre sí, causando fluctuaciones en las señales capturadas por el detector. Estas interacciones no solo eran resultado de las frecuencias fundamentales, sino que también producían resultados inesperados en los niveles de ruido.

#Importancia de Entender el Ruido de los Criocoolers

Entender el ruido de los criocoolers es crucial porque puede impactar significativamente la capacidad del detector para medir correctamente las señales de rayos X. Si los niveles de ruido son demasiado altos, puede llevar a lecturas inexactas, lo que es perjudicial para las misiones científicas que buscan obtener datos precisos sobre fenómenos astronómicos.

En el caso de Resolve, los ingenieros encontraron que ciertas frecuencias de ruido estaban relacionadas con el funcionamiento de los criocoolers. Cuando las máquinas de enfriamiento operaban a frecuencias específicas, la cantidad de ruido en el detector aumentaba. Esto sugiere que hay una relación directa entre cómo funcionan estos enfriadores y los niveles de ruido producidos.

#Implicaciones Futuras

Los hallazgos de la prueba en tierra de Resolve brindan valiosos conocimientos para futuras misiones que dependen de tecnología similar. Las lecciones aprendidas de esta experiencia destacan la necesidad de pruebas exhaustivas de sistemas que están altamente integrados, así como la importancia de poder ajustar las frecuencias operativas de las máquinas para mitigar el ruido.

Para futuros vehículos espaciales y detectores a baja temperatura, será importante adoptar algunas de las estrategias que usó el equipo de Resolve. Esto incluye incorporar sistemas de aislamiento de vibraciones desde temprano en el diseño y los procesos de prueba para minimizar problemas potenciales de ruido.

#Conclusión

Las pruebas del instrumento Resolve han iluminado los desafíos que plantea el ruido de los criocoolers en detectores a baja temperatura. Las observaciones realizadas durante las pruebas en tierra ayudan a clarificar cómo las vibraciones mecánicas pueden afectar el rendimiento de los instrumentos diseñados para estudiar señales sutiles del espacio. Entender estos efectos es esencial para construir mejores detectores y asegurar que funcionen de manera óptima durante las misiones reales. Al abordar estos problemas de ruido, las futuras misiones pueden mejorar sus capacidades científicas y lograr resultados más precisos.