Телескоп

<час />

Фон

Телескоп - это устройство, используемое для формирования изображений далеких объектов. Самый известный вид телескопов - это оптический телескоп, в котором для фокусировки видимого света используется серия линз или изогнутое зеркало. Оптический телескоп, в котором используются линзы, известен как рефракторный телескоп или рефрактор; тот, в котором используется зеркало, известен как отражающий телескоп или рефлектор. Помимо оптических телескопов, астрономы также используют телескопы, которые фокусируют радиоволны, рентгеновские лучи и другие формы электромагнитного излучения. Телескопы различаются по размеру и сложности, от самодельных подзорных трубок, сделанных из картонных трубок, до массивов радиотелескопов размером с дом, простирающихся на многие мили.

Самый ранний известный телескоп - рефрактор, построенный голландским производителем очков Хансом Липперши в 1608 году после того, как он случайно увидел объекты через две разные линзы очков, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Он назвал свое изобретение kijker, "смотрящий" на голландском языке и предназначался для использования в военных целях. В 1609 году итальянский ученый Галилео Галилей построил свои собственные телескопы и стал первым человеком, проводившим астрономические наблюдения с их помощью. Эти ранние телескопы состояли из двух стеклянных линз, установленных внутри полого провода . трубки и были довольно маленькими; Самый большой инструмент Галилея был около 47 дюймов (120 см) в длину и 2 дюйма (5 см) в диаметре. Астрономы, такие как Иоганн Кеплер в Германии и Кристиан Гюйгенс в Голландии, построили более крупные и мощные телескопы в течение 1600-х годов. Вскоре эти телескопы стали слишком большими, чтобы ими можно было легко управлять вручную, и потребовались постоянные крепления. Некоторые были более 197 футов (60 м) в длину.

Возможность конструировать огромные телескопы превзошла способность стеклодувов изготавливать для них подходящие линзы. В частности, проблемы, вызванные хроматической аберрацией (тенденция линз фокусировать каждый цвет света в разных точках, что приводит к размытому изображению), стали острыми для очень больших телескопов. Ученые того времени не знали, как избежать этой проблемы с линзами, поэтому они разработали телескопы с изогнутыми зеркалами.

В 1663 году шотландский математик Джеймс Грегори сконструировал первый телескоп-рефлектор. Альтернативные конструкции отражателей были изобретены английским ученым Исааком Ньютоном в 1668 году и французским ученым Н. Кассегреном в 1672 году. Все три конструкции используются до сих пор. В 1600-х годах не было хорошего способа покрыть стекло тонкой отражающей пленкой, как сегодня делают зеркала, поэтому в этих ранних отражателях использовались зеркала, сделанные из полированного металла. Ньютон использовал смесь меди, олова и мышьяка, чтобы создать зеркало, которое могло отражать только 16% получаемого света; сегодняшние зеркала отражают почти 100% падающего на них света.

Еще в 1730 году было известно, что хроматическую аберрацию можно свести к минимуму, заменив основную линзу телескопа двумя линзами правильной формы, сделанными из двух разных видов стекла, но только в начале 1800-х годов наука о производстве стекла была развита. достаточно, чтобы сделать эту технику практичной. К концу 19 века были построены рефракторные телескопы с линзами до метра в диаметре, которые до сих пор остаются самыми крупными телескопами-рефракторами.

Отражатели снова стали доминировать в рефракторах в 20 веке, когда были разработаны методы создания очень больших и очень точных зеркал. Все крупнейшие в мире оптические телескопы - это отражатели с зеркалами до 19 футов (6 м) в диаметре.

Сырье

Телескоп состоит из оптической системы (линз и / или зеркал) и аппаратных компонентов, которые удерживают оптическую систему на месте и позволяют ей маневрировать и фокусировать. Линзы должны быть изготовлены из оптического стекла, особого вида стекла, которое намного чище и однороднее, чем обычное стекло. Наиболее важным сырьем, используемым для изготовления оптического стекла, является диоксид кремния, который не должен содержать более одной десятой процента (0,1%) примесей.

Оптические очки обычно делятся на кроновые и кремневые. Коронные стекла содержат различные количества оксида бора, оксида натрия, оксида калия, оксида бария и оксида цинка. Кремневые стекла содержат оксид свинца. Антибликовое покрытие линз телескопов обычно состоит из фторида магния.

Зеркало телескопа можно сделать из стекла, которое несколько менее чистое, чем стекло, используемое для изготовления линз, поскольку свет не проходит через него. Часто используется прочное термостойкое стекло, такое как пирекс. Pyrex - это торговая марка стекла, состоящего из диоксида кремния, оксида бора и оксида алюминия. Отражающее покрытие зеркал телескопов обычно изготавливается из алюминия, а защитное покрытие поверх отражающего покрытия обычно состоит из диоксида кремния.

Компоненты оборудования, которые непосредственно связаны с оптической системой, обычно изготавливаются из стали или стали и цинка . сплавы. Менее важные детали могут быть изготовлены из легких и недорогих материалов, таких как алюминий или акрилонитрил-бутадиен-стирольный пластик, обычно называемый АБС.

Производственный
процесс

Изготовление аппаратных компонентов

• 1 Металлические фурнитуры производятся с использованием стандартных металлообрабатывающих станков, таких как токарные станки и сверлильные станки.
• 2 Компоненты из АБС-пластика (обычно внешний корпус телескопа) производятся с использованием технологии, известной как литье под давлением. В этом процессе пластик плавится и под давлением помещается в форму в форме конечного продукта. Пластику дают остыть до состояния твердого тела, и форму открывают, чтобы можно было удалить компонент.

Изготовление оптического стекла

• 3 Производитель стекла смешивает надлежащее сырье с отходами стекла того же типа, что и стекло, которое нужно изготовить. Стеклянные отходы, известные как стеклобой, действуют как флюс; то есть он заставляет сырье реагировать вместе при более низкой температуре, чем без него.
• 4 Эту смесь нагревают в стекловаренной печи до тех пор, пока она не превратится в жидкость. Температура, необходимая для образования расплавленного стекла, зависит от типа производимого стекла, но обычно составляет около 2550 ° F (1400 ° C).
• 5 Температура расплавленного стекла повышается примерно до 2820 ° F (1550 ° C), чтобы пузырьки воздуха выходили на поверхность. Затем ему дают остыть при постоянном перемешивании, пока он не достигнет примерно 1000 ° C (1830 ° F), после чего жидкость станет чрезвычайно густой. Это вязкое расплавленное стекло разливают в формы примерно той же формы, что и требуемые линзы.
• 6 После охлаждения стекла примерно до 570 ° F (300 ° C) его необходимо повторно нагреть до примерно 1020 ° F (550 ° C), чтобы снять внутренние напряжения, которые образуются во время начального периода охлаждения и ослабляют стекло. . Затем ему дают медленно остыть до комнатной температуры. Этот процесс известен как отжиг. Окончательные куски стекла в форме линз известны как заготовки.

Изготовление линз

Заготовки обрабатываются производителем телескопа в три этапа:резка, шлифовка и полировка. Зеркало формируется точно так же, как линза, до тех пор, пока не будет нанесено отражающее покрытие.

• 7 Во-первых, высокоскоростной вращающийся цилиндрический резак с круглым алмазным диском, , известный как генератор кривых, сбривает поверхность линзы до тех пор, пока не будет достигнута точная аппроксимация желаемой кривой. Срезанная линза проверяется сферометром на кривизну и при необходимости перерезается. Время, необходимое для резки, сильно зависит от типа разрезаемого стекла и формы линзы. Для линзы может потребоваться несколько разрезов, каждая из которых может занять от нескольких минут до более получаса.
• 8 Несколько вырезанных заготовок размещаются на изогнутом блоке таким образом, чтобы их поверхности совпадали, как если бы все они были частью одной большой сферической кривой. Это необходимо для того, чтобы шлифовальный станок мог измельчать их все одинаково. На них прижимается чугунная шлифовальная поверхность, известная как инструмент. Во время шлифования блок линз вращается, в то время как инструмент может произвольно перемещаться над ним. Между инструментом и блоком протекает суспензия, содержащая воду, абразив для шлифования (обычно карбид кремния), охлаждающую жидкость для предотвращения повреждения линз из-за перегрева и поверхностно-активное вещество, препятствующее осаждению абразива. Скорость, с которой вращается блок, сила, прикладываемая к линзам, точное содержание суспензии и другие переменные контролируются опытными оптиками для получения точного типа желаемых линз. Каждую линзу еще раз проверяют сферометром и при необходимости переточивают. Общий процесс измельчения может занять от одного часа до восьми часов. Отшлифованные линзы очищаются и перемещаются в комнату полировки.
• 9 Полировальный станок похож на шлифовальный станок, но инструмент сделан из смолы - густого, мягкого смолистого вещества, полученного из каменноугольной смолы или древесной смолы. Инструмент для подачи шага делается путем наложения ленты по окружности изогнутой тарелки, вливания горячей жидкой смолы с другими ингредиентами, такими как пчелиный воск и румяна для ювелиров, и позволяя ей снова остынет до твердого состояния. Инструмент шага может отполировать около 50 линз перед изменением формы. Полирование происходит так же, как и шлифовка, но вместо абразива суспензия содержит полирующее вещество, обычно диоксид церия, в виде очень мелкого порошка розового цвета. Полированные линзы подвергаются оптическому осмотру и при необходимости полируются. Процедура полировки может занять от получаса до четырех или пяти часов. Линзы очищены и готовы к нанесению покрытия.

Нанесение покрытий

• 10 Чтобы превратить линзу в зеркало, используется очень тонкое и очень гладкое покрытие из алюминия. Алюминий нагревают в вакууме с образованием пара. К поверхности линзы прикладывается отрицательный электростатический заряд, так что положительно заряженные ионы алюминия притягиваются к ней. Аналогичные процедуры используются для нанесения покрытия из диоксида кремния для защиты хрупкой поверхности зеркала или для нанесения антиотражающего покрытия из фторида магния на поверхность линз. Готовые линзы или зеркало проверяются, маркируются с указанием даты изготовления и серийного номера и хранятся до тех пор, пока они не понадобятся.

Сборка и доставка телескопа

• 11 Аппаратные компоненты, линзы и зеркала, необходимые для изготовления конкретной модели телескопа, собираются вручную на конвейере. Укомплектованный телескоп упакован плотно прилегающим пенополистиролом для защиты от повреждений при транспортировке. Телескоп упаковывается в картонную коробку и отправляется продавцу или потребителю.

Контроль качества

Наиболее важным аспектом контроля качества оптического телескопа является точность линз и зеркал. На этапах резки и шлифовки очень тщательно измеряются физические размеры линз. Толщина и диаметр линзы измеряются штангенциркулем - инструментом, который похож на гаечный ключ. Внешняя фиксированная губка штангенциркуля прижимается к одной стороне линзы, а внутренняя скользящая губка осторожно перемещается, пока не встретится с другой стороной линзы. В классическом штангенциркуле размеры линзы считываются очень точно с помощью шкалы, которая перемещается вместе с внутренней челюстью и которую сравнивают со стационарной шкалой, прикрепленной к внешней челюсти. Этот тип штангенциркуля очень похож на логарифмическую линейку. Существуют также электронные версии этого прибора, в которых измеренный размер автоматически отображается на цифровом дисплее.

Кривизна линзы измеряется сферометром - устройством, напоминающим карманные часы с тремя маленькими штырями, выступающими из его основания. Два внешних штифта зафиксированы на месте, в то время как внутренний штифт может свободно входить и выходить. Сферометр аккуратно кладут на поверхность линзы. В зависимости от типа кривой средний штифт будет либо выше двух других штифтов, либо ниже двух других штифтов. Движение внутреннего стержня перемещает иглу на калиброванном циферблате на лицевой стороне сферометра. Это значение сравнивается со стандартным значением, которое должно быть получено для желаемой кривизны.

Допуски зависят от типа производимых линз, но обычно допустимое отклонение может составлять плюс или минус 0,0008 дюймов (20 микрометров). Для плоских линз, обычно предназначенных для превращения в плоское зеркало, допуск намного меньше, обычно около плюс-минус 0,00004 дюйма (1,0 микрометра).

На этапе полировки эти инструменты недостаточно точны, чтобы гарантировать правильную работу линзы. Необходимо использовать оптические тесты, которые измеряют влияние света на линзы. Один из распространенных тестов известен как тест автоколлимации. Объектив помещается в темную комнату и освещается точечным источником света низкой интенсивности. Дифракционная решетка (поверхность, содержащая тысячи микроскопических параллельных канавок на дюйм) помещается в точке, где линза должна фокусировать свет. Решетка вызывает образование интерференционной картины из темных и светлых линий перед и за точкой фокусировки. Таким образом, можно точно определить истинную точку фокусировки и сравнить ее с теоретической точкой фокусировки для желаемого типа объектива.

Чтобы проверить плоскую линзу, линзу, которая, как известно, является плоской, помещают лицевой стороной вниз на линзу, которая должна быть протестирована, которая опирается на кусок черного войлока. Микроскопические зазоры между двумя линзами вызывают появление интерференционной картины при легком нажатии. Светлые и темные линии известны как кольца Ньютона. Если проверяемый объектив плоский, линии должны быть прямыми и правильными. Если линза не плоская, линии будут изогнутыми.

Будущее

Методы, используемые для производства превосходных линз и зеркал, были хорошо изучены в течение многих лет, и серьезные инновации в этой области маловероятны. Одно из направлений активных исследований - технология покрытий. Могут быть разработаны новые вещества для покрытия, обеспечивающие лучшую защиту зеркал и лучшее предотвращение потери света из-за отражения линз.

Более значительный прогресс наблюдается в электронных аксессуарах, которые идут в комплекте с телескопами. Астрономы-любители скоро смогут получить телескопы со встроенными компьютерными системами наведения, которые позволят им автоматически наводить телескоп на выбранный небесный объект и отслеживать его ночь за ночью. Они также смогут прикреплять к своим телескопам видеокамеры и снимать такие астрономические явления, как лунные затмения, движения планет и лун.