经过16年的专门规划和工程，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的科学家已经完成了一个3.2千兆像素的摄像机传感器阵列，将用于大型天气测量望远镜（LSST），这是一台大型望远镜，将以前所未有的方式观察宇宙。
布鲁克海文实验室LSST项目团队的成员将展示原型筏式低温恒温器。除了木筏之外，布鲁克海文科学家还设计并制造了低温恒温器，可以将筏子保持并冷却到-100摄氏度。图片来源：布鲁克海文国家实验室
“这是迄今为止最大的电荷耦合器件（CCD）阵列，”布鲁克海文实验室仪器部门的高级科学家Paul O'Connor说。“这是30亿像素，没有望远镜能将这么多传感器放入一台相机中。”
数字传感器阵列由大约200个16百万像素传感器组成，分为21个模块，称为“木筏”。每个木筏都可以独立运作，但结合起来后，它们将在一幅图像中观察到一个可以容纳40多个满月的天空区域。研究人员将这些图像拼接在一起，创建一个可从智利进入的完整可见宇宙的延时电影。
目前正在智利的山顶上建造LSST，旨在捕捉迄今为止已经实现的最完整的宇宙图像。建造望远镜设施和摄像机的项目是来自世界各地30多个机构的共同努力，主要由美国能源部科学办公室和国家科学基金会资助。美国能源部SLAC国家加速器实验室正在全力推动建造相机 - 世界上最大的天文相机，同时布鲁克海文领导数字传感器阵列的设计，构造和鉴定相机的“数字电影”。
“这是相机的核心，”布鲁克海文实验室LSST项目科学筏子系统经理Bill Wahl说。“我们在布鲁克海文所做的工作代表了许多才华横溢的科学家、工程师和技术人员多年来所做的出色工作。他们的工作将带来一系列前所未有的图像，这是项目的激动人心的时刻。“
Brookhaven于2003年开始其LSST研发计划，从2014年开始建造数字传感器阵列。在建设之前，Brookhaven设计并制造了用于布鲁克海文和SLAC的科学木筏的装配和测试设备。该实验室还创建了一个完整的自动化生产设施和洁净室，以及生产和跟踪软件。
“我们确保尽可能多地自动化生产设施，”奥康纳说。“测试一个木筏可能需要长达三天，我们的工作时间很紧，所以我们的自动化设施全天候运行。当然，出于对安全的关注，我们总是有人日夜监控整个设施。”
构建复杂的传感器阵列、在真空中运行、必须冷却到-100摄氏度，这本身就是一个挑战。但Brookhaven团队还负责测试每个完全组装的筏，以及单个传感器和电子设备。每个筏完成后，需要仔细包装在保护环境中，以便安全地运送到全国各地的SLAC。
SLAC国家加速器实验室安装了Brookhaven的21个木筏中的第一个，这些木筏组成了LSST的数字传感器阵列。图片来源：SLAC国家加速器实验室。
布鲁克海文的LSST团队在2017年完成了第一艘木筏。但不久之后，他们遇到了新的挑战。
“我们后来发现，设计特征无意中导致了木筏中的电线可能会短路，”奥康纳说。“这种影响影响筏的速度仅为0.2％，但为了避免任何退化的可能性，我们经历了几乎所有木筏改装的麻烦。”
现在，在筏子生产开始仅仅两年后，该团队已成功构建并将最终的筏子运送到SLAC，以便集成到相机中。这标志着布鲁克海文16年项目的结束，随后将进行多年的天文观测。
招募到布鲁克海文进行LSST项目的许多才华横溢的团队成员都是年轻的工程师和技术人员，他们刚从研究生院就读。现在，他们已被分配到实验室正在进行的物理项目，例如升级相对论重离子对撞机的PHENIX探测器、用于核物理研究的DOE办公室科学用户设施、到sPHENIX，以及正在进行的工作欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的ATLAS探测器。Brookhaven是ATLAS合作的美国主机实验室。
“Brookhaven在LSST相机项目中的角色是为工程师、技术人员和电光学科学家提供了新的令人兴奋的机会，其中必须满足非常苛刻的规范，”Wahl说。“我们组建的多学科团队在实现设计目标方面做得非常出色，我为我们在一起的时间感到自豪，看着初级工程师和科学家成长为非常有能力的团队成员是非常有益的。”
布鲁克海文实验室将继续在LSST中发挥重要作用，随着望远镜经历其调试阶段，布鲁克海文科学家将担任相机中数字传感器阵列的专家。他们还将在LSST的运营期间提供支持，预计将于2022年开始运营。
布鲁克海文物理学家Andrei Nomerotski说：“这种复杂相机的调试将是一项激动人心且具有挑战性的工作。”他领导了Brookhaven对LSST项目调试和运营阶段的贡献。“经过多年使用人工信号源进行传感器表征，我们期待在LSST CCD中看到真正的恒星和星系。”
一旦在安第斯山脉开始运作，LSST几乎将服务于天体物理学界的每个子集。也许最重要的是，LSST将使科学家们能够研究暗能量和暗物质，这两个难题几十年来困扰着物理学家。据估计，LSST将在我们的太阳系中发现数百万颗小行星，此外还提供有关星系形成的新信息。LSST捕获的图像将立即提供给美国和智利的物理学家和天文学家，使LSST成为有史以来最先进和最易接近的宇宙学实验之一。随着时间的推移，数据将向全世界的公众提供。