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現代光學望遠鏡制造

發布時間:2013/11/9 19:22:17 訪問次數:1324

    現代光學天文望遠鏡大多采用反射式。AK4642EN目前最大的一架在建設中的光學望遠鏡是多國研究人員參與的大麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope),預計于2020年左右完工。該望遠鏡建成后將如圖7所示(注意望遠鏡前站立者與望遠鏡的相對尺寸)。它的主反射鏡是由7面小的反射鏡構成,每塊小反射鏡直徑8.4m,所以建成后它們等效于一個直徑24m的大反射鏡。遙遠的星光通過這些鏡子的反射,被導向支架上的小反射鏡,然后匯聚到中間那面反射鏡的圓洞后面,在那里有其他的光學器件可以對匯聚過來的星光進行拍攝和光譜分析。這個過程正如圖6所描述的那樣。古老的反射式望遠鏡仍然是現代科學研究的有力工具。
    雖然現代大望遠鏡的構造依然延續著先賢們的思想,要制造這么巨大的望遠鏡卻要克服許多技術上的困難。大麥哲倫望遠鏡的主反射鏡,每一塊都由將近20噸重的優質低熱脹系數玻璃鑄造,而最后成型的鏡面離完美的拋物面誤差在25nm以內(1m:1×109nm)。這絕非一件容易的事情。
    我最近參觀了負責鑄造這些鏡子的亞利桑那大學史都華天文臺鏡實驗室(Steward Observatory Mirror Lab),了解了整個鏡子制造的流程。圖8胼示就是一塊已經鑄造成型、正在打磨的大麥哲倫望遠鏡的一塊反射鏡。對比圖8右下方的研究人員,我們就可以感受到這塊玻璃的巨大了。它的表面已經過數次打磨,光滑可鑒。整個打磨的過程需要一年多。
    20噸的一塊玻璃看起來挺重,但是我們稍作計算就發現,對于這么大的鏡子,它算是很輕了。以一塊8.4m的鏡子為例,它的平均厚度以0.5m計算(拋物面形的鏡子邊緣大概有1m厚,中間OOH無線電2012要薄很多),所用玻璃的密度,則所需玻璃為n (4.2)2×0.5×2.3—63.69(噸)。整整比實際使用的鏡子重了40多噸!這是為什么呢?
    這恰恰是史都華天文臺鏡實驗室的創新技術帶來的進步。在該實驗室成立之前,最大的望遠鏡尺寸只能做到2m左右,因為更大的望遠鏡體重增長迅速,鑄造和使用都極為不便。實驗室的研究人員研發出了空心鏡子和轉爐鑄造,使得望遠鏡的尺寸飛躍到如今的8.4m。下面我們來看看這兩項技術是怎么回事。

                       

    現代光學天文望遠鏡大多采用反射式。AK4642EN目前最大的一架在建設中的光學望遠鏡是多國研究人員參與的大麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope),預計于2020年左右完工。該望遠鏡建成后將如圖7所示(注意望遠鏡前站立者與望遠鏡的相對尺寸)。它的主反射鏡是由7面小的反射鏡構成,每塊小反射鏡直徑8.4m,所以建成后它們等效于一個直徑24m的大反射鏡。遙遠的星光通過這些鏡子的反射,被導向支架上的小反射鏡,然后匯聚到中間那面反射鏡的圓洞后面,在那里有其他的光學器件可以對匯聚過來的星光進行拍攝和光譜分析。這個過程正如圖6所描述的那樣。古老的反射式望遠鏡仍然是現代科學研究的有力工具。
    雖然現代大望遠鏡的構造依然延續著先賢們的思想,要制造這么巨大的望遠鏡卻要克服許多技術上的困難。大麥哲倫望遠鏡的主反射鏡,每一塊都由將近20噸重的優質低熱脹系數玻璃鑄造,而最后成型的鏡面離完美的拋物面誤差在25nm以內(1m:1×109nm)。這絕非一件容易的事情。
    我最近參觀了負責鑄造這些鏡子的亞利桑那大學史都華天文臺鏡實驗室(Steward Observatory Mirror Lab),了解了整個鏡子制造的流程。圖8胼示就是一塊已經鑄造成型、正在打磨的大麥哲倫望遠鏡的一塊反射鏡。對比圖8右下方的研究人員,我們就可以感受到這塊玻璃的巨大了。它的表面已經過數次打磨,光滑可鑒。整個打磨的過程需要一年多。
    20噸的一塊玻璃看起來挺重,但是我們稍作計算就發現,對于這么大的鏡子,它算是很輕了。以一塊8.4m的鏡子為例,它的平均厚度以0.5m計算(拋物面形的鏡子邊緣大概有1m厚,中間OOH無線電2012要薄很多),所用玻璃的密度,則所需玻璃為n (4.2)2×0.5×2.3—63.69(噸)。整整比實際使用的鏡子重了40多噸!這是為什么呢?
    這恰恰是史都華天文臺鏡實驗室的創新技術帶來的進步。在該實驗室成立之前,最大的望遠鏡尺寸只能做到2m左右,因為更大的望遠鏡體重增長迅速,鑄造和使用都極為不便。實驗室的研究人員研發出了空心鏡子和轉爐鑄造,使得望遠鏡的尺寸飛躍到如今的8.4m。下面我們來看看這兩項技術是怎么回事。

                       

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