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

  • 全国多地开展国家网络安全宣传活动

  • 永丰村迎秋粮收获

独家策划

推荐阅读
今年入夏以来,西北太平洋与南海海域的台风仿佛开启了“流水线”模式,接连生成、登陆,引发社会广泛关注。
2026-09-15 09:35
气候变化可能进一步改变全球极端降雨、洪水和季风过程,短期水文事件对陆地塑料向河流和海洋输送的影响也可能随之变化。厘清这种“脉冲式”污染输送机制,有助于提高全球海洋塑料污染预测的准确性,并为更具针对性的塑料污染治理提供科学依据。
2026-09-15 09:27
错坚河冰崩发生点和下游传输侵蚀通道。研究指出,气候变暖背景下,喜马拉雅山地区的冰冻圈灾害正呈现频次增加与链式放大的复合态势。研究指出,此次冰崩与气候变暖影响下冰裂隙扩张、从冰面向冰内和冰床排水加剧直接相关。
2026-09-15 09:26
记者从国家药监局了解到,我国第三个脑机接口医疗器械标准于14日被批准发布。据悉,为了支持我国脑机接口医疗器械重大创新、满足产业发展急需,国家药监局采用快速程序立项和批准。
2026-09-15 09:23
工科学习与研究强调实践牵引、逻辑思维和科学方法,解决问题更是落脚点——学生可以借助AI,但不能被AI替代。工科学习,不仅是吸收知识的过程,更是应用理论、方法和工具提升学生解决工程实践问题的能力的过程。
2026-09-15 09:25
拍卖会是全国优质种公牛资源展示的舞台。与华西牛同台竞争的,不乏安格斯、西门塔尔等国内外优质牛,可近4届“标王”无一例外都花落华西牛。
2026-09-14 09:26
甲烷的“存在感”远不及二氧化碳,但增温效应不容小觑。有研究认为湖泊贡献了全球自然甲烷排放的75%,也有测算认为占比不足两成。但实际排放多少、国际模型是否适用于我国,长期缺乏本土实测验证。
2026-09-14 09:25
位于今青海省海西州格尔木市南部的布尔汗布达山山体,是当代地质学界、地理学界公认的东昆仑主干,也是青藏公路、青藏铁路的关键地标——昆仑山口所在地。
2026-09-14 09:14
近日,记者从吉林大学获悉,该校生物考古实验室在全球首次完成已灭绝古生物奥氏马的完整形态复原。
2026-09-14 09:15
2026年国家网络安全宣传周期间,光明网联合科普中国推出AI科技伦理系列科普视频,引导公众理性认知技术逻辑,秉持算法向善理念,共建网络安全生态。
2026-09-14 09:15
实现人的自由全面发展,是人工智能伦理治理的逻辑起点与价值原点。
2026-09-11 08:42
2019年,一场生态修复让一个古人类遗址——云南蝙蝠洞遗址浮出水面。之后,多支科研团队开展跨学科综合研究,让丹尼索瓦人在中国西南腹地缺失的关键地理拼图得以补充。
2026-09-11 08:51
在位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔新区的人才创新谷,工作人员操作和林格尔数据中心集群多云算力资源监测与调度平台,实时监测、动态调度算力资源。
2026-09-11 09:10
人类全基因组约30亿个碱基对中,仅1%—2%编码蛋白质,其余包含不编码的“垃圾DNA”及控制基因表达时间、位置和强度的调控序列。
2026-09-11 09:07
8月也是非极地海域有记录以来最温暖的一个月。海表温度峰值达21.1℃,是有观测以来最高的海表温度。
2026-09-11 08:51
一般来说,人力资源社会保障部每年会征集一批新职业信息,对征集到的新职业建议,按照相关工作要求和程序进行筛选确定。”谷俊明说,兼具古法制香功底、香文化讲解与体验教学能力的复合型香艺人才不断成长,将推动古老香文化焕发生机。
2026-09-10 09:52
当今地球正处于冰室气候背景下,大气二氧化碳(CO2)浓度不断上升,全球气候变暖加剧。这意味着初始火山升温之后,天文轨道的胁迫作用增加了高纬度太阳辐射,进而加速了冰盖的融化和冻土层的解冻。
2026-09-10 09:47
灶台、吊柜、换鞋凳、智能床、坐式淋浴器……这个展区被布置成一个家一般的样板间。护理床边,一台人形照护机器人伸出机械臂,托起人体模型的腿,模拟辅助卧床老人活动肢体。
2026-09-10 09:39
实验结果显示,嫦娥五号月壤中不同矿物的弹性模量分布范围较广,不同矿物间的弹性模量差异显著,呈橄榄石>辉石>钛铁矿>尖晶石>斜长石的次序,其中斜长石的弹性模量明显偏低。进一步分析发现,无论矿物来自地球、月球还是陨石,不同来源的矿物在微观变形过程中的响应机制可能遵循某种共性的内在规律,相关机理仍有待进一步深入研究。
2026-09-10 09:35
再过10多天就是农历秋分,第九个中国农民丰收节也将如约而至。联欢活动庆丰收板块,将举办城乡群众庆祝丰收的联欢活动,打造农民唱主角、百姓共联欢的丰收文艺盛宴,呈现荆楚农民唱响赞歌、分享喜悦的丰收景象。
2026-09-10 09:30
加载更多