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腾冲科学家论坛开幕

  • 沪渝蓉高铁通泰扬特大桥跨太平河桥精准合龙

独家策划

推荐阅读
基于这样的研究背景,柴秀娟团队近日研发出一种数字孪生驱动的智能温室采摘系统,能有效解决现代温室番茄生产密植环境下,机器人采摘效率低、易损伤植株的问题。团队成员郎一宁介绍:“首先,机器人搭载的滑轨式深度相机会沿温室逐行扫描,采集高精度的RGB-D数据。
2025-12-08 09:54
记者从国家数据局获悉,截至9月底,我国已建成高质量数据集总量超500PB(拍字节,计算机存储容量单位);7个数据标注基地引进和培育标注企业362家,标注从业人员达8.5万人,带动数据标注相关产值163亿元。
2025-12-08 09:53
“梦想”号大洋钻探船的母港在广州海洋地质调查局科考码头,出海执行作业任务时需要通过深中大桥。多年来,我们与150余家参研参建单位团结协作、集智创新,攻克了一个个技术难题,建成了这艘具有我国完全自主知识产权、全球领先的大洋钻探船。
2025-12-08 09:52
空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物,能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。美国内华达大学里诺分校的航空航天工程师Hoang-Vu Phan指出,这款新设备标志着“微型机器人性能的巨大飞跃”。
2025-12-08 09:51
近日,中国科学院西安光学精密机械研究所超快光科学与技术全国重点实验室研究员姚保利团队在定量相位成像领域取得进展,提出了正交偏振复用剪切干涉技术,并研发出集成化定量相位相机Q-camera。
2025-12-08 09:50
这次经历让我开了窍:一个顶尖的技术工人,不能只满足于执行标准,更要具备在标准之外创造解决方案的能力。我带徒弟,始终坚持“手把手教技能,实打实查问题,面对面讲后果”。
2025-12-05 10:15
由此,研究团队模仿亚洲玉米螟幼虫头壳的结构特点,在实验室中成功“复刻”出具有类似仿生层状结构的水凝胶。为验证实际效果,研究团队将这种水凝胶安装在农业害虫侦查无人机的防撞支架上,并在模拟果园环境的复杂通道中进行测试。
2025-12-05 10:16
“十四五”时期,我国批准上市创新药达210个。为保证药品安全有效,药监部门对新药研发、生产、上市作出一系列严格规定,强化研发生产各环节质量管理。
2025-12-05 10:22
据中国载人航天工程办公室消息,根据计划安排,神舟二十一号航天员乘组将于近日择机实施第一次出舱活动。目前,空间站组合体运行稳定,神舟二十一号航天员乘组状态良好,已做好出舱活动各项准备工作。
2025-12-05 10:17
大国工匠的成长是一个长期、连续、贯通的过程,职业教育要为学生构建可持续发展的成长通道。在新时代的征程中,职业教育应不断探索符合技术技能人才成长规律的教学模式,为培养更多大国工匠、能工巧匠作出更多贡献。
2025-12-05 10:15
12月1日至4日,第十三届世界科学记者大会在南非比勒陀利亚举行。
2025-12-05 10:48
为何CCER可以抵消碳排放?这里不得不提到中国的碳市场。在这样一个市场里,碳减排量可以像日常商品一样被交易。
2025-12-04 10:13
近日,中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称分子植物卓越中心)研究员林鸿宣团队与上海交通大学研究员林尤舜团队、广州国家实验室研究员李亦学团队合作,种出了“不怕热”的水稻。
2025-12-04 10:03
科学家发现了一种可以在63摄氏度下存活的单细胞变形虫,创造了真核生物的耐热纪录。拉森火山国家公园以冒泡的酸性湖泊和炽热的地热池而闻名,但该变形虫却来自一条pH中性的“热溪流”。
2025-12-04 10:04
根据我国风电光伏基地规划布局方案,至2030年,这些新能源基地总装机规模将达4.55亿千瓦,大约相当于20个三峡水电站的总装机容量——“沙戈荒”生态环境脆弱,一旦遭到破坏,恢复难度大,大规模建设光伏风电发电基地可能会影响当地的植被、土壤和水资源等。
2025-12-04 10:01
光明日报北京12月3日电 记者张胜日前从生态环境部获悉,该部与国家能源局近日联合发布3项针对海陆油气田的温室气体自愿减排项目方法学。这是全国温室气体自愿减排交易市场首次将支持范围扩充到油气开采领域,通过市场机制破解油气甲烷回收利用难题。
2025-12-04 09:58
布局“未来产业”,“十五五”规划建议为什么“点名”量子科技、生物制造等6项产业?如何挖掘中国未来产业的应用价值?
2025-12-03 09:52
记者从工业和信息化部获悉:截至10月末,我国5G基站总数达475.8万个,比上年末净增50.7万个,占移动基站总数的37%。
2025-12-03 09:44
利用美国宇航局“毅力”号火星车捕捉到的声音和电信号,法国科学家提出了火星存在闪电的证据。
2025-12-03 09:41
11月30日,内蒙古自治区乌海市,我国装机规模最大的半固态锂电池电网侧独立新型储能项目成功并网。
2025-12-03 09:34
加载更多