A Low Cost Auto-filling and Refrigeration Rate Regulated Liquid Nitrogen Controller for Near Infrared Instruments

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Narsireddy Anugu
António Amorim
Paulo Garcia
Paulo Gordo
Tiago Frederico
Jorge Abreu

Abstract

Liquid Nitrogen is one of the key refrigerating elements in cooling near infrared science instruments to reduce the dark, readout noises and thermal emissions in the near infrared originated from the instrument structure. Usually, a small liquid nitrogen tank connected to the near infrared instrument is auto filled from a large Dewar in order to maintain required low temperatures during the experiment for several hours. The detectors used in these instruments are quite expensive and they need to be cooled down steadily (< 2K/min) to avoid mechanical damage. The steady state cooling of the detector is the key requirement to be considered while cooling down the detector. In this paper, a controller is developed to auto-fill the liquid nitrogen tank and also to keep the refrigeration rate of the detector below 2K/min. A systematic survey of auto-filling controllers is studied. The auto-filling of liquid nitrogen from Dewar to tank is implemented with a standard on-off controller. To address the critical refrigeration rate of the detector, two approaches are studied: a) by fixed time pumping; b) by feedback the detector cooling rate. In this work we have used inexpensive equipment to develop this controller. It is very successfully used for GRAVITY acquisition camera, a near infrared instrument for European Southern Observatory. This controller has been stable and efficient for our experiment. This low cost controller can be used for any student laboratory and research.

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Author Biographies

Narsireddy Anugu, Universidade do Porto

SIM - Laboratório de Sistemas, Instrumentação e Modelação em Ciências e Tecnologias do Ambiente e do Espaço

Faculdade de Engenharia

Universidade do Porto

Rua Dr. Roberto Frias

4200-465 PORTO

Portugal

António Amorim, Universidade de Lisboa

SIM - Laboratório de Sistemas, Instrumentação e Modelação em Ciências e Tecnologias do Ambiente e do Espaço

Faculdade de Ciências

Universidade de Lisboa

Campo Grande 016

1749-016 LISBOA

Portugal

Paulo Garcia, Universidade do Porto

SIM - Laboratório de Sistemas, Instrumentação e Modelação em Ciências e Tecnologias do Ambiente e do Espaço

Faculdade de Engenharia

Universidade do Porto

Rua Dr. Roberto Frias

4200-465 PORTO

Portugal

Paulo Gordo, Universidade de Lisboa

SIM - Laboratório de Sistemas, Instrumentação e Modelação em Ciências e Tecnologias do Ambiente e do Espaço

Faculdade de Ciências

Universidade de Lisboa

Campo Grande 016

1749-016 LISBOA

Portugal

Tiago Frederico, Universidade de Lisboa

SIM - Laboratório de Sistemas, Instrumentação e Modelação em Ciências e Tecnologias do Ambiente e do Espaço

Faculdade de Ciências

Universidade de Lisboa

Campo Grande 016

1749-016 LISBOA

Portugal

Jorge Abreu, Universidade de Lisboa

SIM - Laboratório de Sistemas, Instrumentação e Modelação em Ciências e Tecnologias do Ambiente e do Espaço

Faculdade de Ciências

Universidade de Lisboa

Campo Grande 016

1749-016 LISBOA

Portugal