望遠鏡的“壓力鍋”_風聞

我們家裏大都有一個壓力鍋。壓力鍋的好處是鍋內的壓強高於外界大氣壓強，從而提高鍋內水沸騰的温度，能夠更快地將食物煮熟。為了能承受這個壓強差，鍋體需要做得比普通鍋更厚些，且密封性要好。圖1中是目前市面上比較常見的電壓力鍋和普通壓力鍋，這款電壓力鍋有7檔“壓力/口感”可調，比如30KPa對應做米飯，70KPa對應做牛/羊肉，而這款普通壓力鍋只有一檔90KPa。

圖1. 電壓力鍋和普通壓力鍋 （圖片來自網絡）

這裏的30KPa、70KPa和90KPa是什麼意思呢？其實它們都是在該檔工作時，鍋內高出鍋外的壓強差。壓強是單位面積上受到的壓力，KPa是壓強的單位─千帕斯卡，一個標準大氣壓約為101KPa，相當於760mm高的水銀柱產生的壓強，或大致相當於1平方米麪積上承受10噸的壓力。

不同的檔位背後對應的鍋內温度是多少呢？大氣壓一般會隨着海拔升高而降低，也會隨季節和温度而變化。水的沸點會隨着壓強的升高而升高，這是壓力鍋的工作原理；沸點也會隨着壓強的降低而降低，這是為什麼在海拔比較高的地區用普通鍋無法煮熟土豆，而這也成為300多年前法國物理學家丹尼斯·帕平發明壓力鍋的動力。根據水的沸點與壓強的關係，很容易計算出，當外界環境接近1個大氣壓時，30KPa、70KPa和90KPa檔位對應鍋內水沸騰時的温度大致分別為106℃、114℃和117℃。

望遠鏡的壓力鍋

光譜儀是一種能將複色光按波長（顏色）色散成光譜的儀器，通過光譜能獲得天體的組成元素及元素丰度、距離、表面温度、運動狀態、活動性質等信息，因此光譜常被稱作天體的“指紋”。與温度對設備熱脹冷縮的形變影響類似，大氣壓強的變化也會造成光譜儀的光學器件和CCD相機的微小形變，儘管形變量小，但對於高精度視向速度測量，尤其是探測與地球類似的太陽系外行星這樣的課題卻是致命的。這是因為：地球引起太陽的視向速度變化幅度約為9cm/s，為了探測到太陽系外類地行星或比地球稍大些的“超級地球”，光譜儀的探測精度至少要好於1m/s。這要求分辨本領在70000左右的光譜儀能精確測量到焦面上4納米的天體譜線位移，約為頭髮絲直徑的1/10000。

如何能排除環境温度和壓強的變化對光譜儀和CCD相機的影響？壓力鍋就這樣被天文學家和工程師們從廚房請進了望遠鏡的圓頂。這次不是為了煮雞腿，而是將精密的高分辨率光譜儀和CCD相機放入其中，他們已經為多台望遠鏡量身定製了各具特色的“壓力鍋”。

那麼望遠鏡的“壓力鍋”是如何打造的呢？

以國家天文台團隊為興隆觀測基地2.16米望遠鏡研製的這個“壓力鍋”為例，前期主要是對箱體受力變形（見圖2）和温控方案的仿真（見圖3），以確定最終方案，並完成設計、加工和現場安裝調試。通過仿真可以驗證方案是否安全。這個“壓力鍋”實際工作時內外壓差因季節不同在0.30-3.95KPa範圍變化，而仿真結果表明：壓差10KPa情況下，箱體最大形變量只有0.32毫米，安全係數高於3.6，完全滿足安全需求。圖3是仿真箱體內左、右、上三面同時加熱的情況下温度升高3℃並達到穩定的過程，未考慮箱體內放置設備情況，結果表明需要大約1小時。實際情況是我們給箱體的6個面都滿鋪了加熱片同時加熱，箱體內放置光譜儀和相機的情況下，大約需要24小時達到指定温度並保持穩定，壓強可以在10-30分鐘內達到指定壓強並保持穩定。

圖2. 仿真箱體內外10KPa正壓差時箱體形變放大3000倍示意圖（仿真：賈磊）

圖3. 仿真箱體內左、右、上三面同時加熱情況下温度升高3℃並達穩定過程（仿真：李陶然）

儘管外觀或圓滑或方正各不相同，望遠鏡的這些“壓力鍋”都有一個共同的特徵，即“壓力鍋”內的温度和壓強要長期保持穩定，因此我們也常稱他們為“恆温恆壓罐”或“恆温恆壓箱”。其中，“恆温”是通過温控實現的，具體温度值可根據觀測台站環境設置，但温控精度要達到千分之幾攝氏度量級，這比目前民用空調的温控精度（約1-2℃）要高近三個數量級；“恆壓”是通過壓強控制實現的，可根據自身設備情況選擇真空、正壓或負壓都可以，但壓控精度要好於0.02KPa。歐洲南方天文台（ESO）的HARPS光譜儀配備的真空罐是一個“真空壓力鍋”（見圖4）。而更多的已建成的光譜儀會選擇正壓或負壓控制，因為它們的電子器件並非為真空環境設計。國家天文台團隊為2.16米望遠鏡研製的“恆温恆壓箱”採用負壓控制，長時間温控精度為0.005℃，壓控精度為0.006KPa，是一個“負壓壓力鍋”（見圖5）。

圖4. 歐洲南方天文台HARPS光譜儀的“真空壓力鍋”（圖片來自：ESO）

圖5. 興隆2.16米望遠鏡HRS光譜儀的“負壓壓力鍋”

期待2.16米望遠鏡的這個“壓力鍋”在天文學家手中煮出比雞腿更誘人的“超級地球”，如果恰位於適合生命生存的宜居帶就更妙了。

感謝中國科學院光學天文重點實驗室和國家天文台“一三五項目”對研製這個“壓力鍋”的資助，感謝參與研製和討論的每一位在自己崗位上閃着光的人。

參考文獻

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

作者簡介

王匯娟，理學博士，中國科學院國家天文台星雲計劃研究員，主要研究領域為天體物理和高精度測光和光譜探測方法研究。