新型地面望遠鏡

新型地面望遠鏡
科學發(fā)展和技術(shù)進步要求望遠鏡提高靈敏度和分辨率。為此必額研制更大孔徑的望遠鏡 ·
或陣列望遠鏡。提高靈敏度主要有兩種方法， 即提高探測器靈敏度和增大集光面積。在過去
40年中，固體探測器的靈敏度取得很大進步，已經(jīng)達到頂點， 其量子效率已達100 ， 其噪聲
可忽略不計， 紅外探測器也逐漸接近此水平。因此， 今后進一步提高靈敏度只能靠增大光學 ‘
系統(tǒng)集光面積來實現(xiàn)。當波長大于1O LLm時， 望遠鏡的分辯率受銜射極限限制， 麗衍射極限
和光學系統(tǒng)孔徑大小成反比， 因此增大孔徑可減少衍射極限， 改善角分辨率。當前可見光望
遠鏡還來達到衍射極限， 主要受波前畸變的限制， 但自適應(yīng)光學可改善其性能， 不久的將來
也將達到衍射極限。總之， 增大光學系統(tǒng)孔徑是今后改善望遠鏡靈敏度和分辨率的主要手
段。所以研制大孔徑望遠鏡是當今的重要研究課題。在表9—5中列出了當前各國正在研制
的新型地面大型望遠鏡。從表中看出， 美目、日本和歐洲都制定了研究計劃， 在9O年代集光
面積將增加4倍， 總集光面積的增長比前20年增加lO倍以上。總之， 大口徑反射鏡是大型望
遠鏡的關(guān)鍵。現(xiàn)將其有關(guān)的新技術(shù)、新材料和新工藝作簡要地介紹。溫度計| 溫度表| 風速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計|
表9-5 新塹地面大型光學望遠鑲
計劃名稱 研制單位 主鏡面積 主 鏈 婁 礎(chǔ)
超大型望遠鏡 南歐洲天文白 210m 4個分立望遠鏡 8．2m玻璃一陶瓷薄鏡
哥倫布 意太利 1i0 2×8．4硼硅酸鹽蜂窩共層 勾
俄玄俄大學
韭力桑那大學
KeeK 望遠鏡 加利福尼亞大學 76 36×1．8m六方形玻璃一陶瓷薄鏡址
壹哲汜 【卡內(nèi)基研究所 B m硼硅酸鹽蜂寓是層結(jié)構(gòu)
I約翰霍布金斯大學 50
1 亞力桑那大學
NOAO (北部) 美國國家光學天文白 50 B t'rt硼硅酸鹽蜂窩哭屠結(jié)朽
英國
加拿大
NOAO (南部) 薹國國家光學天文由 50 B tll硼硅酸鹽蚱寓兜層結(jié)構(gòu)
英國
加拿大
日本大型望逗鏡 n本國家天文臺 44 7．5m零膨脹系數(shù)薄鏡
多反射鏡望遠鏡的改型 斯巒生安研究所 33 ^．sm硼硅酸鹽蜂窩央層結(jié)構(gòu)
(MMT c。n e1．Sion)J 亞力桑那太學
1． 反射曩新技術(shù)
1 9世紀建造的望遠鏡主要是透鏡作主鏡， 最大直徑為1II3．，其后幾乎都是反射式。如1918
年建成的2．5m Hooker望遠鏡， 其后在威爾遜tlj上的4m望遠鏡及Pa!omar tit上的5m Hale
望遠鏡。最大的是蘇聯(lián)的6m望遠鏡，這些望遠鏡靠厚度保持曲面形狀， 由于光學技術(shù)水平
限制， 都采Ⅲ 【乏熊距。 ，
70年代后，出現(xiàn)了新的反射鏡結(jié)構(gòu)和工藝，為增大反射鏡口徑開辟了道踏。主要自。多反
射鏡結(jié)構(gòu)， 薄反射鏡和帶孔輕型反射鏡結(jié)構(gòu)等，下而作簡要的介紹。
(1)多反射鏡望遠鏡(Multiple MJrror Telescope)
第一個多反射鏡望遠鏡魁亞力桑那大學和斯密生安天文臺于70年代建成。他們采用6個
]，8m望遠鏡組合成等效集光而積相當于4 5m 的望遠鏡。此望遠鏡安裝在髓轉(zhuǎn)動的建筑物
中， 并且改善通風條件， 取得良好效果。其后， 南歐洲天文臺的4m 級望遠鏡也采用多反射
鏡結(jié)構(gòu)， 獲得很好的像質(zhì)， 達到0．33弧秒。
限制增大反射鏡有兩個主要因素，第一是鏡子重量，4m鏡重為15t， 為了保持鑄而不
變形， 則8m鏡將重達1 20t， 如果支撐不變， 自重變形將增大4倍。第二個因索是熱慣性。
盡管鏡子采用低膨脹系數(shù)材料，F(xiàn)h于溫度變化、通風等引起的畸變?nèi)圆豢珊雎裕?例如1。溫
燕可引起0．3瓶秒的像簋。4m級鏡的熱時間常數(shù)為幾小時。8m級反射鏡的閥題更加嚴重。
多反射鏡結(jié)構(gòu)中用較小的反射鏡組成等效的大反射鏡， 每個反射鏡薄而輕， 熱時間常數(shù)也較
少。
(2)薄反射鏡望遠鏡(Meniscus Tclesc'opc)
所齲薄鏡指的是鏡子的厚度不變的反射鏡 傳統(tǒng)的反射鏡直徑和厚度的比為6：1，或
8：1。這樣可保持鏡子因重力引起的變形保持在允許的范圍內(nèi)。薄鏡的比例為40：1， 鏡子
的剛度減少。為了減少因重力和風力引起的變形， 設(shè)計中采用多點、可控支捧系統(tǒng)， 減少因
蘑力和風力引起的變形。南蚊洲天文臺的超大型望遠鏡和日本國家天文臺的大型望遠鏡都采
用此種技術(shù)。
(3)骷孔輕型反射鏡(Light Mlrr0 r With Hollows)
加肋的夾層結(jié)構(gòu)可使二維的鏡面獲得最大舶剛度一質(zhì)量比。美國亞力桑那大學研制了用
硼硅酸鹽玻璃大型蜂窩夾層反射鏡。其重量僅為同樣尺寸實心鏡的四分之一， 但在重力下變
形卻近似相等。同時蜂窩結(jié)構(gòu)有利于鏡子和環(huán)境溫度達到熱平衡。此種反射鏡將用于美國與
英國和加拿大聯(lián)臺研制的NOAO等三個望遠緒中。
(4)短焦距比
新的望遠鏡設(shè)引 j現(xiàn)有望遠鏡除主反且J鏡型式不同之外， 還有幾個方面不同。首先是焦
長度縮短�，F(xiàn)有望遠鏡的焦距和直徑的比一般較大， 大約為2．2～ 5之間。其原因是受光
學加工技術(shù)水平的限制。為了增大孔徑贏徑， 需要減少焦距的槲對長度， 以便使望遠鏡的長
度和價格保持在允許舶范圍內(nèi)。例如，60m直徑的望遠鏡罩舶價格是30m商徑的8倍， 短
焦距還可以改善望遠鏡承受風干擾的能力。但焦距縮短時， 為了保證像質(zhì)不變， 鏡面加工精
度提高，8m望遠鏡設(shè)計中， 臻距一贏往比為2 下， 而哥倫市計劃中選用1．1 。
2．反射鏡新材料
反射鏡開始時主要由玻璃制成，190紀后才開始使用金屬反射鏡， 但金屬容易變形干兒腐
蝕， 需要經(jīng)常拋光。后來在玻璃上沉積銀薄膜，使兼有玻璃和金屬舶優(yōu)點。威爾遜山上的
1 5m和2．5m望遠鏡使用硼硅酸鹽～ 陶瓷玻璃， 膨脹系數(shù) =i0 K～ 。而后的5m望遠鏡
使用熔融石英( 7 X10 K )。60和70年代出現(xiàn)了許多新材料， 如用正膨脹系數(shù)的玻
璃和負膨脹系數(shù)的陶瓷組成新材辯， 膨脹系數(shù)近似為零。此外還有熔化石英中摻鈦氧化物，
其膨脹系數(shù)也很少
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3． 反射鏡加工新工藝
拋物面或近似拋物面鏡和其最佳擬臺球面的差，與鏡子直徑成正比，與焦距長的立方成反
比。例如，8m，f／3拋物面與其最佳擬臺球面的差為72Hm，而同樣大小，f／]的拋物面與
其最佳擬臺球面之差為2ram。在光學加工中， 此差值是很大的。為此研究了新的加工方法，
使用可彎曲的工具，主動控制拋光工具使其與光學表面配準并控制工具上壓力分布，或以離子
束除去表面的玻璃達到需要的曲面形狀。下面介紹幾個新型望遠鏡以便了解技術(shù)進步情況。
(1)Keck望遠鏡 ·
Keck望遠鏡的主鏡由36塊】．8m寬、．?5ram厚的六方形塊組成， 等效直徑10m，f／1．75
的雙曲面鏡。采用加壓球面拋光， 當壓力撤除后， 圓盤彈性恢復到要求的曲面形狀，精度達
到250nm。為了消除田割引起的誤差， 采用一組彈簧支撐每個六方形塊， 使表面精度達N20
~40nm。開始用星光校準每塊鏡片，使相鄰片問軸偏差達幾毫微米。由微處理機控制詞整
36塊鏡片保證整個鏡面的形狀， 并抵消吏撐引起的變形。分塊鏡技術(shù)還將在美國光譜測龜望
遠鏡和德國大型望遠鏡等沒備中使用。
(2) 薄鏡望遠鏡
超大型望遠鏡的主鏡由4個8．2m薄鏡陣列組成。此薄鏡在德國最近建成的凹形旋轉(zhuǎn)模
具中鑄造而成，焦距直徑比為1．8，每個鏡厚175mm，重23t。鏡子有幾百個支撐點。每個
點有精確控制的力作用在鏡片上， 使因熱變形、重力和慣性力及風力引起的變形得到補償。
類似的結(jié)構(gòu)將在日本大型望遠鏡中使用。
(3)蜂窩夾層反射鏡望遠鏡
蜂窩夾層鏡在三個計劃中采用。其中直徑最大的是哥倫布計劉中的8．4m，f／1．4雙鏡。
等效孔徑為11．8m。此鏡是由復雜模具制成， 其結(jié)構(gòu)為直徑和厚度比為8：1或10：l的有孔
結(jié)構(gòu)。鏡子的前板厚28ram，后板厚為25ram， 兩板中有11個肋，按六角形分布。鏡面由
旋轉(zhuǎn)模鑄造，拋物面精度為lmm。鏡子重量為14t。邊緣處厚850mm，但所用玻璃僅和100mm
厚的薄鏡相同。因風力和重力引起的變形僅為同樣大小厚的薄鏡的七分之一或更少。
蜂窩夾層鏡還具有可采用短焦距及加壓拋光工藝， 有孔便于通風， 熱時間常數(shù)小(大約
為40分鐘)等優(yōu)點，有廣闊的應(yīng)用前景。 ．