摘 要:2·16 m光学望远镜是目前我国研制的口径最大的反射式天文望远镜,主镜通光口径为2·16 m,边厚为330 mm,重量约2 200 kg,顶点曲率半径R0=12 960 mm,偏心率平方e2=1·095 134 7[1],相对口径为1/3,最大非球面度δ0max≈21μm。由于所用玻璃毛坯为原苏联制造,质量极差,通体充满气泡、结石、折叠,是块等外品。更致命的是磨出的表面各处硬度不均匀,出现大面积、形状不规则的高、低区,不得不用手持小抛光盘进行手修,像雕刻一样去掉那些不规则形状的硬的局部高,保留不规则的软的局部低(所谓修光程),并把它拼凑成一个较为接近的理想双曲面。可以想像得出,这样做会遇到多麽大的困难。在大家的努力下,终于用手把它磨修到尽可能完善。最后望远镜在由该主镜、凸双曲面副镜及熔石英像场改正镜组成的R-C卡塞格林(Ritchey-Chretien Cassegrain)光学系统的焦面上拍摄了星团底片。经鉴定委员会测试组专家测量后认为,在全视场(300 mm×300 mm)内,不管是边、角还是中心像均很圆,暗星像直径达0·18 mm。说明主镜的加工工艺是成功的,同时也说明凸双曲面副镜的加工、检验[2],熔石英像场改正镜的设计[1]、选料、加工[3]及光学系统的调整[4]也是成功的。
1 粗磨成型(主镜结构见图1)
原苏联20世纪50年代后期制造的主镜毛坯为Φ2 210~Φ2 220 mm,厚度为410~419 mm,重约360 0 kg。提出定货后,不到半年就运到中国,可见是库房内剩余的料,质量很差,是同时熔化了五埚,选其中三埚线膨胀系数α比较接近的浇铸而成,α分别为36·4, 36·4, 36·3 (×10-7/℃),内部充满折叠、条纹、气泡。粗磨成型均在专用2·5 m立式车床上进行。主要工序如下:
(1)减薄。玻璃最厚处为419mm,要减薄到330 mm,采用了Φ350 mm×25 mm金刚石砂轮60#进行铣磨。砂轮线速度为26 m/s,主轴转速为1·4 r/min。经试验认为,当进刀量为1 mm时,玻璃磨削量为10 mm3/s较安全,故以此为准计算,给出在不同直径处(线速不同)砂轮进刀的速度值,并按表1进行操作。
每磨一刀(即玻璃厚度去掉1 mm),需要3 h22 min,每班8 h,约可磨2刀,最后共磨了89刀,用了约60个工作日。所用冷却液代号为741,它可使玻璃磨削量得到提高。现在看来这种硬磨的办法不是好方案,它是把玻璃全部磨成了粉。以后遇到毛坯厚的情况可用锯将多余的一片锯下来。
(2)在背面画18个不通孔及中孔的初步位置。用划线法定出18个不通孔的位置,画出中孔范围。
(3)用中孔内的玻璃做挖不通孔的工艺试验。
(4)挖不通孔。不通孔直径为Φ170 mm。由于划线有误差,故先挖成Φ130 mm,留出余量进行修正。同样,深度要求为200 mm,也是挖到180 mm留有余量。平均每天可挖取一个不通孔。方法是先用大小不同的、车制的套钻在玻璃上加金刚砂套料,把不通孔部分分割成Φ70 mm的中心柱及Φ110 mm玻璃套管(见图2)。用200 r/min的转速,60#的金刚砂,用2·5 h的时间约可切深到190 mm。然后用工具敲打,取去中心柱及玻璃套管成Φ130 mm的不通孔,待进一步精确修磨。
(5)切中心孔。中孔直径要求为Φ550 mm,也是要留有余量。用套料工具以87 r/min,60#砂和主轴转速1·4 r/min,切成Φ530 mm,然后用特制的行星运动磨头精确扩孔至公差尺寸。Φ550 mm的公差为+0·34~+0·37 mm(配合面),这是因为行星运动磨头砂轮上下运动有限磨不到底,还留了一段(非配合面),等主镜翻身后再磨的缘故(见图3)。关于行星运动磨头参看文献[5],这是为磨不通孔专门设计制造的。
(6)用中孔定位。磨镜坯外圆柱面及凹槽。磨好后的示意图如图4所示。
首先用Φ350 mm×25 mm、60#金刚石砂轮磨柱面,用了11刀,磨凹槽用了29刀,然后换用Φ350 mm×20 mm、120#树脂金刚石砂轮均匀磨削。
(7)精磨18个不通孔。前面已提到Φ130 mm不通孔位置不准确,需要扩孔精磨。可分以下几步:
①用自制玻璃24面体定不通孔方位。将24面体固定在特制支架上,并固定在玻璃中孔内的主轴上,旋转24面体,使某面方向与任一不通孔方向重合。首先主轴外脱离立式车床,放置自准直望远镜进行监测,然后将24面体与主轴固定,与毛坯无相对移动及转动,用24面体监测磨制18个不通孔的方位,最后达到图纸所要求的角度公差±1′。
②用行星磨头扩孔并精磨配合柱面。所谓行星磨头就是砂轮除本身自转外还能公转,公转半径可调。金刚石砂轮为Φ62 mm,60#,8 000 r/min。先用行星磨头将与主轴对称的两个不通孔上端精确磨成圆,测量两圆直径及两圆边缘的距离,可获得两个不通孔的中心距离(磨完第一个不通孔上端后,借助于24面体监测,旋转主轴180°,再磨对称的不通孔上端),然后用此法校正中心距,最后满足图纸半径方向允差±0·3 mm的要求。扩孔直径与深度顺序如下:公转速度用33·3 r/min,依次磨Φ170 mm×20 mm、Φ155 mm×70 mm、Φ151 mm×100 mm、Φ149·5 mm×185 mm,若遇到实心处则换用14·5 r/min的速度,磨成阶梯状。Φ140 mm×200 mm钻杆的机动进刀为0·533 mm/min,此时玻璃最大磨削量为24 mm3/s。用规则的金刚石砂轮磨定位面,用树脂砂轮修整,用废SiC砂轮倒角,用锥形工具磨锥孔及阶梯,直至图5所示。这样将18个不通孔一一挖磨修完。
(8)翻身。用专用工字钢吊具(见图6),把镜坯吊起翻身,翻身后镜子的背面在下,正面朝上,仍用行星运动砂轮磨中孔的残留部分,并达到图纸要求。
(9)借助专用靠模铣磨比较球面。仍用减薄时应用的金刚石砂轮,从内向外逐渐铣磨。专门的机构保证了砂轮走出规定的圆弧,再加上主轴的旋转,可以把镜面磨出既定的球面。这一步共磨了43刀。倒角后运至专用的2 m磨镜机上。先是背面朝上,用组合工具细磨,然后用大抛光盘抛光背面,涂保护漆后再翻身,镜面朝上。
2 细磨、抛光、修改
在2·5 m立式车床上,经由靠模控制的磨头铣磨后的球面,其精度是不高的,还要用组合工具细磨。组合工具的做法首先是将铝圆切割成圆片(注意不能用铸铝),经进一步车加工、倒角,背面胶上一层柏油,将正面摆在镜子上,中孔部份不放铝圆,排满整个表面,共用了121块铝圆,然后将大的铝磨盘加温后压在各铝圆背面,接触处柏油溶化,经一段时间后取下来,各铝圆便都胶在大磨盘上了。铝圆正面的包络为现在的镜面形状。用组合工具进行细磨,逐渐换砂,磨到所要求的曲率半径为止。曲率半径的测量是先磨制一个Φ300 mm的样板,用比较法测量,测定主镜的曲率半径。在磨制过程中,若曲率半径不对(玻璃镜面总是在下面的,不可能把镜子放在上面磨),可以视情况在镜面和组合工具之间的中央或外带加垫一定厚度的纸片,将组合工具背面加温水(或把整个磨盘放入水池加温),使柏油稍软,把磨盘压在镜面上,改变铝圆包络形状,有纸片处铝圆压入柏油层,等冷却后再进行细磨。结果表明,被压入柏油层的铝圆在最初磨制时不起磨削作用,此带就逐步变高了。细磨过程中的清洁工作是很重要的,不要划伤镜面。
抛光时先用大抛光胶盘把镜面抛成球面,抛光盘的做法类似于组合工具。先把柏油抛光胶做成方块状备用。在大抛光盘上按一定排列画线,使抛光柏油块分布均匀(注意不能中心对称分布,中孔部分不放柏油块),然后稍加热抛光盘,将抛光胶块按所画线位置放入,胶牢后备用。抛光前将镜面擦拭干净,用肥皂水均匀涂覆镜面,将抛光胶盘用专用工字钢吊具吊挂,放在大水池浸入水中,用池中温水均匀加热抛光盘。将此抛光盘压在镜面上,在不时移动、转动和冷却后取下来,这时大部分抛光胶块与镜子形状吻合,但还会有一部分尚未压到。因此还要加温抛光盘后再压。这样反复进行,直至全部胶块与镜面吻合为止。在把镜面上肥皂水洗净后胶盘,待镜面冷却后在镜面上涂以氧化铈抛光液即可以抛光。抛光成球面的目的是了解此镜坯的表面抛光性能和软硬的一致性,看是否有其它情况发生。再就是先抛光成最接近的比较球面,以便过渡到所需凹双曲面。用大抛光盘抛修可得到一个轴对称的过渡球面。修改时是用中型工具细磨中央及外带,使其非球面化。同样,用中型抛光盘抛修[6],尽可能少用小直径抛光盘,边修边检直至完成。
加工过程中的检验是用OFFNER补偿阴影检验法检验,为此制做了专用的检验架子。作者采用OFFNER透镜与阴影仪,并被同时固定在架子的平台上,其相互位置、距离均需调准,并移动整个平台进行校准。
镜面在磨镜机上是采用摇板式18个支撑盘支撑,侧支撑6点。磨镜机上的18个支撑托盘位置不与镜子背后18个不通孔对应,镜子检验时要把磨镜机主轴翻转成近似为水平,进行水平光路检验。为了使侧支撑受力不集中在个别点,而采用把主镜吊在钢带上进行检验,故每检验一次都是很麻烦的。后来为了加工微晶玻璃主镜,才把厂房改造成了可以用做垂直检验的检验塔。
抛修中遇到的主要问题及采取的措施:
(1)表面磨穿的气泡随时在增加,所以细磨结束抛光前,对表面上所有气泡及少量结石进行了扩孔处理。若不处理,在磨制过程中则会形成彗星状局部低带,有时范围可到1/3圆周长。处理的方法是用手持小马达,轴上装锥状杆,加金刚砂把磨穿的气泡扩孔,结石挖掉,扩孔如图7所示。这样虽然直径大了,但无尾巴。以后在抛修过程中随时增多,随时发现,随时扩孔,否则就有可能形成一个彗星状局部低的彗头,低的范围在阴影图中可达10 mm以上,并拖一长尾巴,其危害的面积远远大于扩孔面积。共先后扩孔358个,最大直径为8 mm。
(2)进行手工局部抛修。如图8和图9所示,图9是镜面转了180°后拍摄的,图8和图9高低对应明显。图9故意贴倒,便于对照高低区域分布。这是最初的两张阴影图照片。这些地区差只有进行手修,进行手修是一件非常艰难的工作,先要把硬部分的图形画在镜表面上,然后用小抛光胶盘把这些不规则的、高的部分逐渐抛低下去,不仅要与镜面其它低的部分在同一个双曲面上,而且还要保持镜面面形的平滑。要知道这是波长级的高低,可以说已达到了人类技艺的极限,再想提高精度实属不易。
(3)开始抛光时,镜子表面粗糙度很差,好像蒙上了一层雾状物或网状物。因为是用中型抛光盘抛修,镜面大部分区域暴露在空气中,一些不洁物及灰尘参加了抛修过程,因此除在磨镜机上方罩上大块防尘布外,还要在主镜四周加上像蚊帐的小防尘罩。管道出风口用泡沫塑料包好起过滤作用。
(4)因无恒温装置而用了空调机,对于这麽大的房间,实践证明这对于膨胀系数不是很小的大镜坯有害无益。房间温度波动大,镜坯温度梯度大,不能检验磨制。所以把车间所有的窗户均用砖砌起来以便保温,降低日温差。可是到了冬、夏二季只能停工,这是因为与它们相应的日平均温度分别为+6℃及+33℃,所以只好等待温度好的黄金季节(每年的4月~6月和10月~12月)靠自然恒温进行加工检验,这无形中又延误了加工周期。
(5)由于是水平光路检验,所以空气层的温度梯度造成像散现象,在进行干涉检验时尤为显著,这是无法克服的,只有改为垂直检验才行。鉴于以上情况,后来光学车间修建了垂直检验塔,还进行了恒温改造。
3 光学检验
对玻璃毛坯的要求及检验见文献[7]。镜面抛修过程中用OFFNER补偿检验法。这当中也曾用激光球波面干涉仪进行干涉检验[8],发现空气层的温度梯度引起像散严重,无法应用。加工结束后拍摄了阴影图(见图10)是通过OFFNER补偿器拍摄的。作者在曲率中心附近进行一维HART-MANN检验,不加任何补偿装置。由于镜子存在地区差,所以四个方向的数值不完全相同。四个方向的计算结果如下:
Ⅰ方向:均方根差为λ/14·9;
Ⅱ方向:均方根差为λ/1·4;
Ⅲ方向:均方根差为λ/6·5;
Ⅳ方向:均方根差为λ/5·3。
这些均方根差都是取18个带计算的。
二维HARTMANN检验取点326个,用它计算的结果比前者要客观多了,但仍为采样检验。计算结果如下(详见文献[6]):
50%的光集中于0·37″;
70%的光集中于0·52″;
80%的光集中于0·60″;
90%的光集中于0·77″;
95%的光集中于1·00″;
99·7%的光集中于2·3″;
100%的光集中于5·7″;
镜面均方根误差为λ/5(全口径)。
该镜坯由上海新沪玻璃厂提供,是用池炉熔炼的,是完整的一块,其线膨胀系数α=0·76×10-7/℃,应力双折射为1·5 nm/cm。从这些数据可看出是一块较理想的坯料。但不幸的是光学车间于1990年在起吊已粗磨成型好的这块镜坯时,由于钢丝绳被卡断,致使玻璃被打碎,这一事故断送了主镜目前用微晶玻璃的可能性。
因此现在的2 m望远镜光学质量的提高就受表面硬度不一致的原苏联毛坯的限制,这也是参加这一工作的所有同志尽了最大努力才取得的结果,作者初次加工大型镜面就碰到玻璃表面硬度不一致这样的棘手问题,而好的微晶玻璃毛坯又先后被打碎,由此也就限制了2·16 m望远镜光学质量的进一步提高。从1993年开始,又由作者负责加工了新副镜,作者计算了用φ1 600 mm的凹球面进行了补偿检验,取得了较好结果[2]。
1996年换上新副镜后并把所有镜面拆下来重新镀膜后,作者对光学系统再次进行了调整[4]。
1996年在2 m望远镜的卡焦处,用300 mm×300 mm大底片进行拍照,对英仙座双星团曝光10 min,经鉴定会测试组测量后认为,底片四角及中心星像很圆,无彗差,暗星像直径为0·2 mm,有的为0·18 mm。这一指标能适应台址和满足大多数天文工作的要求。到目前为止,北京天文台用此设备经过多年的应用及国际联合观测,已取得了一大批有影响的、优秀的天文成果,使用效率在国内的几台望远镜中是最高的。
参考文献:
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作者简介:李德培(1933-),男,中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所研究员,主要从事大型军用光学和天文光学元件及其系统的加工、检验、装调、测量等方面的研究。
