现代天文仪器之七：杜瓦瓶与红外天文学
本系列中，紫外到红外波段的基本天文观测设备已有《关于望远镜镜坯》、《主动光学与自适应光学》和《CCD简说》三篇文章介绍。不过还是有必要单独介绍一下杜瓦瓶。这虽然不是直接成象或观测的仪器，但没有它，现代天文学尤其是红外天文学基本是寸步难行。
红外天文学的开端要追溯到威廉·赫歇尔的时代。当时他将温度计放在太阳光谱的红端之外，无意间发现了来自太阳的红外线。19世纪中叶，Charles Piazzi Smyth利用热电偶发现了月球的红外辐射。20世纪初，行星和较亮恒星的红外辐射被探测到了。但这期间限制红外天文学进一步发展的因素，除却探测器的不灵敏，更有环境热辐射的干扰。如果没有有效的降温措施，环境热量很容易淹没微弱的天体红外辐射。
1950年代，较灵敏的硫化铅探测器问世。1961年，Frank Low发明了更灵敏的红外锗探测器，将红外天文学研究提升了一个档次。由于这两种探测器要求低温工作的特性，杜瓦瓶几乎在与此同时踏上了天文学的舞台。
杜瓦瓶的发明者是英国化学家、物理学家James Dewar爵士，他致力于低温技术和热学研究。Dewar是首次液化并固化氢的科学家，还制成了批量液化氧的装置。1892年，为了便于研究液态气体，他设计发明了杜瓦瓶。第一个杜瓦瓶的材质为玻璃，下装减震弹簧。1904年，商业化的杜瓦瓶投放市场。
James Dewar（左，图片提供：www.britannica.com）和早期的杜瓦瓶（右，图片来源：The Scholar and His Study）。
其实每个人在日常生活中差不多都接触过类似杜瓦瓶的容器。简单说来，杜瓦瓶是由两层镀银（或其他反射性能好的材料）的瓶体组成的，中间夹层抽真空，瓶体材料通常选择绝热性能好的物质。出于减少热辐射的考虑，镀银面朝向真空隔层；真空隔层则可以降低对流和热传导效应，这样就可以保持瓶内的温度，无论是高温还是低温。家用热水瓶或保温瓶的结构与此基本相同，科研用杜瓦瓶也可以看成是高级保温瓶吧:P
杜瓦瓶的结构示意。（图片来源：Online 1911 Encyclopedia Britannica）
天文学上常使用金属杜瓦瓶，原形是杜瓦在1906年制成的。瓶中盛放的自然不会是高温物质，而是低温液化气体，如液氮（77开）或液氦（4开）。放入杜瓦瓶中的一般是探测器核心部分，对于当下常见的CCD来说，当然是芯片元件，放大电路可以放在瓶外。与上图所示的结构不同之处是，天文用杜瓦瓶往往还有调温装置用于稳定仪器温度，仪器本身不直接接触液化气体，液态气体也可以随时补充。为了不影响正常观测，瓶口是由透明的，探测器就放在这里。观测所需的滤光片也是安装在瓶口处的。
再次从实测天体物理学课件中抽图，杜瓦瓶的天文应用示意。
上图可见，CCD实际上是由浸液化气体中的温控装置制冷的。对杜瓦瓶中探测器的温度控制颇有讲究，要慢慢降温，一旦温度符合要求，最好能尽量保持。温度波动会影响CCD的性能参数和成象噪声就不必多说了，温度变化过快也会让CCD芯片和衬底脱开导致探测器报废。课本介绍说是温控可以做到十几分之一摄氏度的精度，对最新的设备精度本人了解不多，不能妄言。
对红外空间计划来说，为追求高灵敏度，充有液氦的低温杜瓦瓶式装置是标准配备。这一点从1980年代初的IRAS就开始了，一直到最新的斯皮策空间望远镜。在降温的同时，瓶中的液氦也是空间望远镜工作寿命的限制因素。一般红外天文卫星的寿命最多不过是三五年，不是想延长就可以延长的。由于温度的保持是依靠液氦挥发完成的，一旦液氦挥发殆尽，哪怕其他设备完好无损，卫星也会变成一堆废铜烂铁。不清楚未来的詹姆斯·韦布望远镜会如何解决这个问题，毕竟，对于6米级望远镜来说，三五年的使用寿命实在是太短了。
斯皮策望远镜的低温系统结构（左，图片提供：NASA/JPL），液氦罐上方的空间为安置探测器用；右侧为实物图（图片提供：Ball Aerospace）。
不过与前任不同的是，斯皮策的液氦使用更为节省。传统设计是把望远镜、探测器通通塞进充液氦的杜瓦瓶中，此即所谓“冷发射”结构。斯皮策的液氦容器较小，只容纳有探测器，较大的望远镜则安放在容器外，入轨后才开始降温，这是“热发射”结构。望远镜在通常情况下的制冷是通过被动方式，依靠外壳反射走相当一部分阳光。只是在进行远红外观测时，才需要动用液氦为镜面制冷。当然，斯皮策能采用这样的设计，也和其独特的轨道选取有关。
在进行光学观测时，为降低CCD的暗流，通常也会将CCD放入灌有液氮的杜瓦瓶中。与此类似，射电接收机也会采用杜瓦瓶作为降温降噪的手段。引力探测器B这样的高灵敏度探测器也会采用杜瓦瓶制冷。
引力探测器B的杜瓦瓶，所有精密仪器都放在其中。（图片提供：Russ Underwood/Lokheed Martin Corporation）
如今，杜瓦瓶已成了天文观测必备的辅助设备，而红外天文学的繁荣也是和杜瓦瓶分不开的。为纪念James Dewar的功绩，国际天文学联合会将9420号小行星命名为杜瓦。
在天文学之外，杜瓦瓶还广泛用于低温物理和生物、医学等研究领域以及低温运输行业。在大学的物理课堂里，杜瓦瓶也是必需的实验仪器。（去年本人做霍尔系数测量实验时还拿杜瓦瓶里的液氮好好耍了一番：往液氮里注水，扔各式小玩意，还差点把面包塞进去，自己先汗一个……）
参考资料：
[1] HISTORY OF INFRARED ASTRONOMY
[2] Space Astronomy 1960:1989
[3] Infrared Astronomy Timeline
[4] Sir James Dewar
[5] Vacuum flask
[6] Observatory Boldly Goes Where the Human Eye Cannot（注：此为JPL在2003年的文章，期间网站进行过改版，链接可能已失效）
[7] Spitzer - A Cool View of the Cosmos NASA’s latest Great Observatory by Dr Mark H. Jones, Open University
[8] 《实测天体物理学》，郑兴武 编
