Как изготавливаются стекла для самых больших телескопов
- На этом огромном станке на данный момент установлено для реставрации шестиметровое первое основное зеркало (вверху) русского телескопа БТА (на самом телескопе употребляется второе основное зеркало). С его поверхности было удалено 8 мм стекла, в следствии чего зеркало массой 42 т «похудело» на 500 кг. По окончании переполировки зеркало будет возвращено в обсерваторию в Нижнем Архызе.
Рядом от Москвы, чуть в стороне от маленького города Лыткарино, над подмосковным лесом возвышается массивная 72-метровая башня, на стене которой изображен знак, сильно напоминающий известное «Всевидящее око». Но, конечно же, мистика к этому не имеет никакого отношения — это логотип Лыткаринского завода оптического стекла.
Не смотря на то, что и «Всевидящее око» было бы тут очень уместно: так как именно на ЛЗОС, входящем на данный момент в состав холдинга «Швабе», изготавливают зеркала для самых громадных телескопов мира, благодаря которым человечество заглядывает на миллиарды световых лет в глубины отечественной Вселенной. Но, на ЛЗОС делают не только зеркала и не только для телескопов: ассортимент оптических материалов, приборов и элементов насчитывает несколько сотню позиций.
Все начинается с горшка
Путь любого оптического элемента начинается со стекловаренного сосуда (горшка). Это громадный керамический тигель количеством 500 или 700 л, что предварительно высушивают и обжигают в особой печи («каленнице») при температуре около 1000 °C. По окончании для того чтобы обжига сосуд переносят в газовую горшковую печь, разогревают до определенной температуры, а после этого загружают стеклобой (остатки стекла того же сорта от прошлых варок).
Это стекло расплавляется и растекается по стенкам горшка, снабжая защиту при варке. После этого в стекловаренный сосуд загружают шихту — порошкообразную смесь оксида кремния (кварцевого песка), оксида свинца, борной кислоты, оксида (либо других) ингредиентов и гидроксида алюминия (правильная рецептура зависит от сорта стекла), по окончании чего начинается процесс варки, длящийся в большинстве случаев пара дней.
Температура варки для разных сортов стекла разна: флинты (стекла с высоким показателем преломления, которые содержат оксиды свинца) низкотемпературные, они варятся при 1400 °C, а кроны (натриево-силикатные стекла с низким показателем преломления) требуют более больших температур, достигающих 1570 °C. В ходе варки расплавленное стекло непрерывно перемешивают посредством особой керамической мешалки, дабы стекло оказалось гомогенным по составу.
Ничего лишнего
«Оптическое стекло должно содержать мало включений, практически единицы на килограмм, — говорит глава бюро стекловарения ЛЗОС Михаил Гулюкин. — Но при варке в стекломассе образуется множество пузырьков. Большие пузыри всплывают, а вот небольшие необходимо удалить. Для этого в конце варки на этапе так именуемого осветления расплавленную стекломассу размешивают древесной чуркой, вымоченной в воде, либо, как делали это отечественные деды, сырой картофелиной.
Вода закипает, образуется большое количество пара и других газов, расплав бурлит, большие пузыри поднимаются вверх, захватывая другие включения и мелкие пузырьки, — происходит, выражаясь техническим языком, процесс барботирования. Это бурление перемешивает расплав, помогая его гомогенизировать, другими словами сделать однородным по составу и по температуре».
В ходе варки пара раз берутся пробы стекломассы, каковые контролируются на наличие включений. «В то время, когда масса разогрета и светится, включения смогут быть видны кроме того невооруженным глазом, — растолковывает Михаил Гулюкин. — Но в любом случае по окончании остывания образцы контролируют в лаборатории на особом приборе — нефелометре, что измеряет рассеяние света на включениях в составе стекла». В ходе же самой варки в газовых горшковых печах машинально контролируется более 20 параметров. не меньше строгий контроль и на вторых печах завода — с электрическим индукционным нагревом и маленьких ванных.
Медлительно остыть
В то время, когда варка заканчивается (на ЛЗОС говорят «закрывается»), к печи подъезжает шаржирный кран, предназначенный для выгрузки и загрузки горшков, и посредством манипулятора вынимает горшок из печи. Горшок «отряхивают» от прилипшего к его дну песка (на подушке из которого он стоит в печи), и удаляют «стяжку» — легко остывшую верхнюю «корочку», в которой скапливается большая часть включений, захваченных всплывающими пузырями. Затем расплавленное стекло выливают в форму.
«Включения не единственные недостатки оптического стекла, — говорит Михаил Гулюкин. — В случае если стекломассу не хорошо перемешать, то из-за неравномерности состава в стеклянной отливке образуются свили — области с другим показателем преломления. Оптические неоднородности в стекле смогут появиться и по обстоятельству неравномерного охлаждения. Более того, при стремительном охлаждении в стекле появляются большие механические напряжения, каковые смогут стеклянную отливку».
Исходя из этого сразу после отлива форму с горячим полужидким стеклом помещают в особую печь, где начинается неотёсанный отжиг — так именуется процесс весьма медленного (практически пара градусов в день) контролируемого равномерного охлаждения отливки. Он занимает семь дней, иногда месяцы, но затраты времени оправданны: при таком ходе внутренние напряжения минимизируются, так что по окончании отжига отливка остается целой (внутренние напряжения кроме этого воздействуют на оптическую однородность стекла).
Узкая наводка
По окончании неотёсанного отжига производится контроль отливки на особом приборе — поляриметре, разрешающем визуализировать картину внутренних напряжений в поляризованном свете. Из отливки выбирают область с мельчайшим числом недостатков, вырезают ее и приступают к финальной стадии термообработки, узкому отжигу. Эта операция занимает около месяца, ее задача — придать заготовке равновесную структуру, дабы температурные колебания как возможно меньше оказывали влияние на оптические особенности.
Для некоторых оптических материалов (в частности, стекол для светофильтров) на протяжении узкого отжига проводится операция «наводки» — особая термообработка для упорядоченных структур, придающих стеклу необходимые спектральные характеристики.
При охлаждении больших (более 50 см) заготовок для подробностей астрономических инструментов неотёсанный и узкий отжиг в большинстве случаев совмещают. Для зеркал телескопов оптическая однородность материала отходит на второй план если сравнивать с термомеханическими особенностями. Дабы температура меньше оказывала влияние на форму зеркал, их изготавливают не из стекла, а из астроситалла, прочного стеклокерамического материала с практически нулевым коэффициентом температурного расширения.
Надежный тыл
Но пока что мы имели дело лишь с блоком из оптического стекла либо стеклокерамики. Дабы перевоплотить его в подробность оптического инструмента, необходимо придать его рабочей поверхности нужную форму (для телескопов в большинстве случаев вогнутую сферическую либо асферическую). «Обработку больших зеркал начинают с задней поверхности, — говорит инженер-конструктор конструкторско-технологического бюро НПК-95 (научно-производственного комплекса) крупногабаритной оптики ЛЗОС Николай Добриков. — Задача — взять не просто зеркало, а максимально легкое и максимально твёрдое зеркало, исходя из этого мы на станках с ЧПУ посредством алмазных фрез выбираем лишний материал с тыльной поверхности, создавая вместо целого массива ажурную твёрдую несущую структуру.
на данный момент таким методом мы можем уменьшить зеркало на 80% по сравнению со целым». Заднюю поверхность шлифуют либо полируют — время от времени на нее крепят дополнительные датчики либо оптические элементы, нужные для юстировки.
Свет мой, зеркальце
Обработка поверхности начинается с придания ей начальной формы — вогнутой сферической либо асферической — в виде маленьких ступеней на станках с ЧПУ. После этого ступени сошлифовываются, рабочую поверхность неспешно сглаживают, переходя на более небольшой абразив, и полируют. «Отклонение от заданной поверхности для зеркала телескопа должно быть порядка десятков нанометров, — говорит Николай Добриков. — Исходя из этого по окончании каждого этапа полировки точность обработки контролируется интерферометром, а полученная интерферограмма расшифровывается в карту поверхности, на основании которой составляется программа обработки для станка с ЧПУ».
Полировать зеркала возможно не только механически. В соседнем цехе расположена установка ионно-лучевой обработки, которая полирует поверхность пучком ионов ксенона и аргона. А рядом — камера напыления покрытий, где на уже готовую плоскость зеркала посредством магнетронного распыления в скрещенных электрических и магнитных полях наносят многослойные (много слоев толщиной порядка 2 нм любой) покрытия, каковые и будут отражать свет далеких звезд.
- По окончании обжига внутренние стены горшка «обмазывают» стеклобоем — остатками от прошлых варок того же сорта стекла. Это снабжает защиту стенок горшка от агрессивной среды на протяжении варки.
Горшок в большинстве случаев употребляется многократно — в нем возможно варить стекло того же состава до 12 раз. А вот при варке высокотемпературных стекол горшка хватает всего на один раз.
В то время, когда процесс варки закончен, шаржирный кран вынимает горшок с расплавленным стеклом из печи и переносит его к месту литья в форму.
Кроме того на протяжении заполнения литейной формы принципиально важно не допускать неравномерного охлаждения разных областей, в противном случае в стекле покажутся свили — оптические неоднородности, области с разными показателями преломления.
Отжиг, другими словами контролируемое охлаждение стеклянной отливки, — весьма медленный процесс. Заготовки для больших подробностей, таких как зеркала из астроситалла диаметром 2−4 м, смогут остывать в особой печи по заданной программе в течении одного-двух лет.
Выборка с задней поверхности посредством станка с ЧПУ, управляющего алмазной фрезой, разрешает уменьшить подробность по сравнению со сплошной на 80%, перевоплотив массив тяжелой стеклокерамики в ажурную, но твёрдую конструкцию.
Рабочая поверхность зеркала по окончании полировки контролируется посредством интерферометра. На базе взятой интерферограммы создается программа управления для станка с ЧПУ. Точность обработки зеркал может составлять порядка десятков нанометров.
Часть зеркал, установленных на стендах в цехе финишной обработки, предназначены не для телескопов — это вспомогательные зеркала совокупностей оптического контроля изготавливаемой оптики.
Башня, возвышающаяся над территорией завода на семьдесят с лишним метров, выстроена вовсе не для красоты. В сооружения расположена вакуумная камера высотой 72 м для измерения разных черт больших длиннофокусных зеркал.
Опробования в вакууме разрешают нивелировать влияние потоков пыли и воздуха и тем самым существенно повысить точность измерений.
Статья «Всевидящее око» размещена в издании «Популярная механика» (№152, июнь 2015).
<
h4>