A A A A Автор Тема: Тепловые эффекты внутри трубы  (Прочитано 7957 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Ernest

  • Гость
А из за чего ухудшается качество изображения зеркальной оптики до полной тепловой стабилизации. Какова физика явления?

Причин две. По мере остывания трубы телескопа происходит неравномерная деформация поверхностей оптических элементов. Кроме того воздух внутри трубы расслаивается на теплый и холодный, что приводит к градиенту (перепаду) показателя преломления и соответствующей деформации волновых фронтов внутри трубы.

Тепловая деформация оптических поверхностей
см. также термоастигматизм

Оптика как правило изготавливается из стекла и подобных ему материалов, которые характеризуются довольно низкой теплопроводностью. При перемене внешней температуры (например, понижении при выносе оптического прибора из помещения или в начале ясной ночи) наружные слои оптической детали меняют свою температуру скорее, чем внутренние. Возникает неравномерное распределение температуры по детали (температурный градиент), а с ним постольку-поскольку есть зависимость объема от температуры возникает внутренняя напряженность, которая выгибает деталь. Профиль деформации сильно зависит от условий охлаждения, геометрии детали и ее материала. При этом возникает во-первых общая деформация низких порядков (выгибание, прогиб), которая не очень опасна (кроме случая плоских деталей в наклонных пучках), хотя и приводит к необходимости контролировать фокусировку. Во-вторых, возникают меньшие по амплитуде деформации высоких порядков, которые достигают наибольших значений у края детали формируя "подвернутый" или "приподнятый" край и т.п. Такого сорта деформации приводят к появлению аберраций подобных сферической, которые усугубляются проблемами с разгрузкой неверным выбором тепловых зазоров оправ. 

Преломляющая оптика от таких деформаций страдает в меньше мере. Дефект преломляющей поверхности передается световому фронту с коэффициентом (n-1), где n - коэффициент преломления стекла (обычно около 1.5), а вот дефект внешнего зеркала передается с коэффициентом 2. То есть преломляющая оптика реагирует на тепловые деформации примерно вчетверо меньше, чем отражательная. Кроме того линзы обычно состоят из пары поверхностей при этом деформация первой поверхности обычно повторяется второй с обратным знаком, то есть линзовая оптика склонна (пусть и частично) компенсировать эффект от тепловых деформаций своих поверхностей.

У Д.Д.Максутова в книге "Изготовление и исследование астрономической оптики" подробно рассмотрел способы борьбы с такого сорта тепловыми деформациями. Это в первую очередь рациональный выбор материала для зеркал. Материал должен иметь теплопроводность по-больше, тепловой коэффициент расширения по-меньше, больший модуль упругости (в порядке убывания предпочтения: ситалл - кварц - пирекс - крон - флинт). Следует избегать излишне массивных (толстых) заготовок под зеркала, придавать им рациональную (максимально облегченную при той-же жесткости) форму. Максутов полагал, что будущее за металлическими зеркалами - настолько полагал важным минимизацию тепловых деформаций зеркальной оптики.

Тепловые градиенты воздуха

Во время остывания внутри трубы телескопа устанавливается своего рода динамическое равновесие. Наиболее массивные, аккумулирующие тепло, детали отдают избыток тепла окружающему их воздуху, который нагреваясь создает конвекционные потоки поднимается по трубе вверх и отдавая тепло материалу стенки трубы (играет роль радиатора) охлаждается и спускается вниз за новой порцией тепла. Таким образом воздух играет роль пассивного теплового носителя в переносе тепла от зеркал и линз к относительно холодным стенкам трубы. В итоге между воздухом нижней и верхней части трубы создается значительная разность температуры. Показатель преломления воздуха невелик, примерно 1.000293, но он имеет зависимость от плотности воздуха, а следовательно и температуры. Показатель преломления воздуха меняется примерно на 0.000001 при изменении температуры на один градус (в пределах т.н. "нормальных условий"). То есть при разнице температуры всего в один градус между нижней и верхней частью метровой трубы телескопа возникает дефект волнового фронта в 1 мкм или две длины волны! Это существенный негативный вклад в расчетный аберрационный баланс телескопа.

К счастью, также как и в случае деформаций поверхностей большая часть деформации волнового фронта описывается низкими пространственными гармониками типа наклона волнового фронта и расфокусировки. Это особенно справедливо для телескопов рафракторов и Ньютонов с параболическими зеркалами. Однако зеркально-линзовые схемы вроде Шмидт-Кассегрена и особенно Максутов-Кассегрена страдают от тепловых градиентов воздуха в большей степени из-за разнесенной схемы компенсации аберраций. Неодинаковость показателя преломления воздуха по объему трубы вмешивается в ход компенсации аберраций и как результат возникает временная взаимная разъюстировка оптических элементов, которая усугубляется для Максутовских систем толщиной мениска (довольно существенная теплоизоляция по сравнению с пластинкой Шмидта).

Схема борьбы с воздушными тепловыми градиентами довольно проста и эффективна: необходимо интенсифицировать теплообмен внутри трубы (ускорить циркуляцию - ток - воздуха введением внутрь трубы небольших вентиляторов, улучшить радиаторные свойства стенок трубы), что приводит с одной стороны к сглаживанию различий в показателе преломления среды, а с другой - ускоряет приход трубы в состояние близкое к тепловому равновесию с окружающей средой. Еще более радикальный метод - интенсивная вентиляция внутреннего объема трубы наружным воздухом, что правда чревато большей запыленностью оптики и более частым ее помывкам.
« Последнее редактирование: 16.04.2008 [13:21:16] от Эрнест »