望远镜的“压力锅”

来源：光明网2020-05-27 15:44

　　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” 　　