点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

望远镜的“压力锅”

来源:光明网2020-05-27 15:44

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  我们家里大都有一个压力锅。压力锅的好处是锅内的压强高于外界大气压强,从而提高锅内水沸腾的温度,能够更快地将食物煮熟。为了能承受这个压强差,锅体需要做得比普通锅更厚些,且密封性要好。图1中是目前市面上比较常见的电压力锅和普通压力锅,这款电压力锅有7档“压力/口感”可调,比如30KPa对应做米饭,70KPa对应做牛/羊肉,而这款普通压力锅只有一档90KPa。

 望远镜的“压力锅” 

图1. 电压力锅和普通压力锅 (图片来自网络)

  这里的30KPa、70KPa和90KPa是什么意思呢?其实它们都是在该档工作时,锅内高出锅外的压强差。压强是单位面积上受到的压力,KPa是压强的单位─千帕斯卡,一个标准大气压约为101KPa,相当于760mm高的水银柱产生的压强,或大致相当于1平方米面积上承受10吨的压力。

  不同的档位背后对应的锅内温度是多少呢?大气压一般会随着海拔升高而降低,也会随季节和温度而变化。水的沸点会随着压强的升高而升高,这是压力锅的工作原理;沸点也会随着压强的降低而降低,这是为什么在海拔比较高的地区用普通锅无法煮熟土豆,而这也成为300多年前法国物理学家丹尼斯·帕平发明压力锅的动力。根据水的沸点与压强的关系,很容易计算出,当外界环境接近1个大气压时,30KPa、70KPa和90KPa档位对应锅内水沸腾时的温度大致分别为106℃、114℃和117℃。

  望远镜的压力锅

  光谱仪是一种能将复色光按波长(颜色)色散成光谱的仪器,通过光谱能获得天体的组成元素及元素丰度、距离、表面温度、运动状态、活动性质等信息,因此光谱常被称作天体的“指纹”。与温度对设备热胀冷缩的形变影响类似,大气压强的变化也会造成光谱仪的光学器件和CCD相机的微小形变,尽管形变量小,但对于高精度视向速度测量,尤其是探测与地球类似的太阳系外行星这样的课题却是致命的。这是因为:地球引起太阳的视向速度变化幅度约为9cm/s,为了探测到太阳系外类地行星或比地球稍大些的“超级地球”,光谱仪的探测精度至少要好于1m/s。这要求分辨本领在70000左右的光谱仪能精确测量到焦面上4纳米的天体谱线位移,约为头发丝直径的1/10000。

  如何能排除环境温度和压强的变化对光谱仪和CCD相机的影响?压力锅就这样被天文学家和工程师们从厨房请进了望远镜的圆顶。这次不是为了煮鸡腿,而是将精密的高分辨率光谱仪和CCD相机放入其中,他们已经为多台望远镜量身定制了各具特色的“压力锅”。

  那么望远镜的“压力锅”是如何打造的呢?

  以国家天文台团队为兴隆观测基地2.16米望远镜研制的这个“压力锅”为例,前期主要是对箱体受力变形(见图2)和温控方案的仿真(见图3),以确定最终方案,并完成设计、加工和现场安装调试。通过仿真可以验证方案是否安全。这个“压力锅”实际工作时内外压差因季节不同在0.30-3.95KPa范围变化,而仿真结果表明:压差10KPa情况下,箱体最大形变量只有0.32毫米,安全系数高于3.6,完全满足安全需求。图3是仿真箱体内左、右、上三面同时加热的情况下温度升高3℃并达到稳定的过程,未考虑箱体内放置设备情况,结果表明需要大约1小时。实际情况是我们给箱体的6个面都满铺了加热片同时加热,箱体内放置光谱仪和相机的情况下,大约需要24小时达到指定温度并保持稳定,压强可以在10-30分钟内达到指定压强并保持稳定。

望远镜的“压力锅”  

图2. 仿真箱体内外10KPa正压差时箱体形变放大3000倍示意图(仿真:贾磊)

望远镜的“压力锅”  

图3. 仿真箱体内左、右、上三面同时加热情况下温度升高3℃并达稳定过程(仿真:李陶然)

  尽管外观或圆滑或方正各不相同,望远镜的这些“压力锅”都有一个共同的特征,即“压力锅”内的温度和压强要长期保持稳定,因此我们也常称他们为“恒温恒压罐”或“恒温恒压箱”。其中,“恒温”是通过温控实现的,具体温度值可根据观测台站环境设置,但温控精度要达到千分之几摄氏度量级,这比目前民用空调的温控精度(约1-2℃)要高近三个数量级;“恒压”是通过压强控制实现的,可根据自身设备情况选择真空、正压或负压都可以,但压控精度要好于0.02KPa。欧洲南方天文台(ESO)的HARPS光谱仪配备的真空罐是一个“真空压力锅”(见图4)。而更多的已建成的光谱仪会选择正压或负压控制,因为它们的电子器件并非为真空环境设计。国家天文台团队为2.16米望远镜研制的“恒温恒压箱”采用负压控制,长时间温控精度为0.005℃,压控精度为0.006KPa,是一个“负压压力锅”(见图5)。

望远镜的“压力锅”  

图4. 欧洲南方天文台HARPS光谱仪的“真空压力锅”(图片来自:ESO)

望远镜的“压力锅”  

图5. 兴隆2.16米望远镜HRS光谱仪的“负压压力锅”

  期待2.16米望远镜的这个“压力锅”在天文学家手中煮出比鸡腿更诱人的“超级地球”,如果恰位于适合生命生存的宜居带就更妙了。

  感谢中国科学院光学天文重点实验室和国家天文台“一三五项目”对研制这个“压力锅”的资助,感谢参与研制和讨论的每一位在自己岗位上闪着光的人。

  参考文献

  1.Frank Grupp et al., Pressure and temperature stabilization of an existing Echelle spectrograph, 2010, SPIE, 7735E, 73G

  2.Frank Grupp et al., Pressure and temperature stabilization of an existing Echelle spectrograph II, 2011, SPIE, 8151E, 19G

  作者简介:王汇娟,理学博士,中国科学院国家天文台星云计划研究员,主要研究领域为天体物理和高精度测光和光谱探测方法研究。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2025年世界互联网大会文化遗产数字化论坛举行

  • 电影《731》拍摄历程特展在哈尔滨举行

独家策划

推荐阅读
中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、研究员曹湖军、副研究员张炜进团队在氢负离子导体开发及应用方面取得重要进展。
2025-09-18 09:52
工业遗址与科幻主题联动,带来现实与想象交错的奇妙感受;科技手段还原知名IP场景,让游客沉浸到小说里的名场面;利用独特地质地貌,打造“地球上最像火星的地方”……来一场新鲜、有趣的科幻游,成为不少人出游的选择之一。如何做好科幻与文旅深度融合,丰富旅游供给?各地因地制宜进行了探索。
2025-09-18 09:50
记者17日从中国石化新闻办获悉,部署在四川省资阳页岩气田的2口评价井测试产量均超百万立方米,其中资页2-501HF井试获日产气140.7万立方米,刷新我国页岩气测试产量最高纪录。
2025-09-18 09:44
当今中国,科学教育受到前所未有的重视—作为人才培养的根基与路径,科学教育的潜力将变成参与国际竞争、争取国际话语权的实力。
2025-09-18 09:43
日前,由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所牵头承担的聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)遥操作系统测试平台通过专家组测试与验收。
2025-09-18 09:40
“科创游”是一种将科技与旅游相结合的新型旅游形式,不仅展示科技企业的生产过程和产品,还注重科技教育的普及和科技创新的体验
2025-09-17 10:23
此次大会将讨论通过“人与生物圈计划”及其世界生物圈保护区网络杭州战略行动计划,明确未来十年的发展方向、目标和行动方案
2025-09-17 10:21
人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器要“上天”进入预定轨道,运载火箭少不了。在“火箭家族”展台,长征一号至五号运载火箭模型笔直而立。
2025-09-17 10:20
在化学生物学研究中,有一种强大的“分子地图绘制技术”——邻近标记技术。在癌症免疫治疗中,免疫细胞需要足够强和足够多的“信号”才能发起攻击,但癌细胞表面的天然信号往往非常稀疏。
2025-09-17 10:18
当前,秋粮陆续进入成熟期。各地抓住最后的窗口期,落实落细各项增产措施,全力以赴抓好秋粮生产,确保秋粮丰产丰收。
2025-09-17 09:32
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
加载更多