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

  • “三夏”沃野抢收忙

  • 擦亮“秘色瓷都”品牌 推动产业融合发展

独家策划

推荐阅读
记者从农业农村部获悉,截至5月28日17时,各地已收夏粮小麦4897万亩、当日机收面积超过1000万亩,今年全国“三夏”大规模小麦机收全面展开。
2026-05-29 09:11
垦利10-2油田位于渤海南部海域,探明原油地质储量超1亿吨,是渤海湾盆地凹陷带浅层发现的首个亿吨级岩性油田。中国海油天津公司工程技术作业中心相关负责人介绍:“垦利10-2油田钻完井作业面临井型多、层系多、开发方式多等‘三多’难点。
2026-05-29 09:09
早上8时许,四川省南充市高坪区走马镇姜家祠村村民姜萧将孩子送到村委会“农忙托管班”。为解决农忙季小孩看护缺位问题,姜家祠村因地制宜开设季节性公益“农忙托管班”,为村内适龄儿童提供免费集中托管服务。
2026-05-29 09:06
中国卫星导航定位协会近日发布《2026中国北斗时空产业发展白皮书》。所谓“北斗时空产业”,是以北斗卫星导航系统为核心,深度融合遥感地理信息、移动通信等多种技术手段的综合性产业体系。
2026-05-29 09:02
据中国载人航天工程办公室消息,神舟二十一号和神舟二十三号航天员乘组于28日进行交接仪式,两个乘组移交了中国空间站的钥匙。
2026-05-29 08:52
  人工智能(AI)正以前所未有的速度重塑着教育形态。放眼全球,AI与教育深度融合已不是“未来时”,而是汹涌澎湃的“现在进行时”。在这场由硅基智慧引发的教育革命面前,世界各国都在“大显身手”,基于各自特有的文化背景、教育传统与国家发展战略定位,在“AI+教育”的实施路径上展现出“百花齐放”之势。
2026-05-28 02:10
  当前,我国科普阅读需求呈现出高意愿、高黏性、高集中度的特点。调研显示,成人科普图书核心读者以36岁以上成熟群体为主,占比达82%,女性读者占62%,绝大多数为本科学历以上,企业技术人员、教育科研工作者、都市职场人构成消费主力。超过六成读者每周阅读三次以上,近三分之一年均阅读10本以上,阅读稳定性显著高于其他大众图书。
2026-05-28 02:10
站在河北沧州南皮县乌马营镇徐和杨村的航丰家庭农场地头,放眼望去,成方连片的小麦已泛起嫩黄,一派“小满未满,将熟未熟”的景象。
2026-05-28 02:00
中国社会科学院考古研究所(中国历史研究院考古研究所)27日发布最新成果。2025年9月至今,考古研究所已出版考古报告13部,专著、学术资料、科普读物13部,图录、论文集、数据集8部,中英文顶级、权威期刊上的简报、论文30余篇,并积极建设实验室集刊平台。
2026-05-28 02:00
27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-28 01:40
在提交毕业论文终稿的最后时刻,辽宁省某高校教育学专业研二学生宋耘(化名)还是选择了求助某“专门降论文AIGC(人工智能生成内容)率”的商家。
2026-05-28 01:40
中国卫星导航定位协会近日发布的《2026中国北斗时空产业发展白皮书》显示,2025年,北斗时空产业总产值达到13323亿元。北斗核心产品持续迭代升级,芯片、模组等基础产品小型化、低功耗、高精度水平不断提升,国内主流手机北斗定位精度持续优化,为产业规模化应用奠定了坚实的技术基础。
2026-05-27 09:36
5月27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-27 09:26
“十五五”规划纲要提出,投资于物和投资于人紧密结合。
2026-05-27 03:00
大屏幕上的数字快速跳动。十几轮激烈竞逐后,最终定格在212.4万元,成交!这是日前记者在湖北碳排放权交易中心电子竞价大厅看到的一幕。
2026-05-27 03:10
检测AI率,目的是维护学术研究的严肃性公平性,督促学生遵守学术规范、产出原创成果。然而,在现实操作中,一系列困扰学生乃至老师、学校的问题接连显露。
2026-05-27 02:50
位于北京大兴区的长子营湿地公园,草木葱茏,水面澄澈,鸟鸣声清脆悦耳,勾勒出一幅生机盎然的生态画卷。
2026-05-26 09:24
我国虽然核电铀燃料对外依存度高,但钍资源储量丰富,目前探明钍储量位居世界第二。以钍作核燃料不仅符合我国资源禀赋,甚至可能改变未来全球能源格局。
2026-05-26 09:18
我国已累计发布1750项食品安全标准,涉及2万多个指标,覆盖340多种食品类别,持续完善科学严谨、好用管用的食品安全标准体系。
2026-05-26 09:11
入汛以来,全国平均降水量达110.1毫米,较常年同期偏多18.6%。从空间分布来看,我国南北方均出现降水量较常年同期明显偏多区域。
2026-05-26 09:11
加载更多