微晶玻璃與光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡

●　張　健

微晶玻璃，全稱超低膨脹微晶玻璃，也有人簡(jiǎn)稱零膨脹玻璃。這種玻璃有膨脹系數(shù)極低等重要特性，因此它是制造大型反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡鏡片的優(yōu)質(zhì)材料。

談到光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，人們會(huì)聯(lián)想到1609年意大利物理學(xué)家兼天文學(xué)家伽利略發(fā)明的折射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，1671年英國(guó)物理學(xué)家牛頓又發(fā)明了反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡并用于天文觀測(cè)的歷史。光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，是天文觀測(cè)工具一個(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步，它結(jié)束了人類只能依靠肉眼觀測(cè)天體的歷史，反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明還奠定了現(xiàn)代大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)。

自發(fā)明光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡以來，人類的光學(xué)天文觀測(cè)設(shè)備，包括目前最先進(jìn)的地面和空間光學(xué)天文觀測(cè)設(shè)備在內(nèi)，玻璃鏡片都一直是它們關(guān)鍵的組成部分。但是，300多年來，光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡所用的玻璃鏡片一直是膨脹系數(shù)較高的普通光學(xué)玻璃。20世紀(jì)60年代中期研制出的超低膨脹微晶玻璃，其特性之一是膨脹系數(shù)在使用溫度范圍內(nèi)接近于零。例如，1984年通過鑒定的由上海新滬玻璃廠研制的直徑2.2米超低膨脹微晶玻璃天文鏡坯，在0℃～－50℃范圍內(nèi)的膨脹系數(shù)僅為普通光學(xué)玻璃膨脹系數(shù)的1％。因此，用這種玻璃能夠磨制出光學(xué)質(zhì)量很好的反射鏡面。

對(duì)于大型反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡來說，超低膨脹微晶玻璃的重要性不言而喻，其主要在于以下兩個(gè)方面。

第一方面，其星象質(zhì)量不受望遠(yuǎn)鏡鏡片熱慣性的破壞，這是評(píng)價(jià)望遠(yuǎn)鏡鏡片光學(xué)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。

眾所周知，光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的主要指標(biāo)，一是其終端的分辨能力，二是其主鏡鏡片的口徑大小。由于星光極弱，若望遠(yuǎn)鏡口徑不夠大，聚光不夠多，經(jīng)過光柵色散后光信號(hào)就更微弱，無(wú)法進(jìn)行光譜分析研究，照相也會(huì)暗弱不清。增大望遠(yuǎn)鏡口徑，還可避免一些大氣流源而提高信噪比。因此，現(xiàn)代光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡除利用最新技術(shù)改進(jìn)終端系統(tǒng)的分辨能力外，還盡力加大望遠(yuǎn)鏡口徑。然而，望遠(yuǎn)鏡口徑的加大，除增加制造望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)難度和經(jīng)費(fèi)支出外，還加大了望遠(yuǎn)鏡主鏡鏡片的熱慣性。當(dāng)夜間打開觀測(cè)室準(zhǔn)備使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，望遠(yuǎn)鏡周圍的溫度便會(huì)升高或下降，主鏡鏡片便隨之產(chǎn)生熱脹或冷縮的變形，使觀測(cè)的天體質(zhì)量變壞，對(duì)目視、照相或分光觀測(cè)都帶來不利的影響。大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡鏡片相當(dāng)大，相當(dāng)厚，其熱慣性很大。打開觀測(cè)室后，望遠(yuǎn)鏡的主鏡鏡片與其周圍溫度的平衡過程就相當(dāng)長(zhǎng)，即消除主鏡鏡片熱畸變的時(shí)間就相當(dāng)長(zhǎng)。

前蘇聯(lián)科學(xué)院特別天體物理天文臺(tái)6米口徑的反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，其主鏡鏡片是用普通光學(xué)玻璃制成的，膨脹系數(shù)相當(dāng)高。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在實(shí)際使用中，由于外界大氣中逐夜的溫度有幾攝氏度的變化，從而引起主鏡鏡片難以收拾的熱畸變。這塊厚厚的鏡片熱慣性非常大，要使它同外界的溫度變化完全平衡起來需要花費(fèi)三天的時(shí)間。

因此，只有在連續(xù)幾個(gè)夜晚大氣溫度相同而且使白天觀測(cè)室內(nèi)的溫度恒定于夜晚大氣溫度的條件下，這塊6米鏡片才能完全消除熱畸變的影響，即才能正常地進(jìn)行觀測(cè)。很明顯，這樣的特殊條件，實(shí)際上是無(wú)法提供的，所以這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡始終不能正常工作。前蘇聯(lián)天文學(xué)家曾試圖在白天按照夜間預(yù)計(jì)可能出現(xiàn)的溫度來調(diào)整6米鏡片的溫度，但收效甚微。因?yàn)榇笮偷膱A鏡片具有巨大的熱慣性，調(diào)整鏡片溫度等等努力都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，惟一的解決辦法是用一塊超低膨脹微晶玻璃鏡片去替換原來的派勒克斯玻璃鏡片。1949年投入使用的美國(guó)海耳天文臺(tái)5米口徑的反射式天文望遠(yuǎn)鏡，也存在與前蘇聯(lián)6米望遠(yuǎn)鏡類似的毛病，只因這塊5米鏡片要薄得多，打開觀測(cè)室后幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)鏡片的溫度與外界氣溫就能基本平衡，因此對(duì)觀測(cè)工作的不利影響較之前者要小得多。由此不難看出，超低膨脹微晶玻璃鏡片對(duì)于大型反射鏡是多么重要。

第二方面，鏡片在磨制過程中不需要等到熱平衡即可檢察質(zhì)量，可大大縮短加工周期。由于普通光學(xué)玻璃的熱變形很明顯，磨制這種鏡片的環(huán)境條件要求較高，尤其是鏡面精拋光和修改面形的過程，必須在恒溫車間內(nèi)進(jìn)行。

前蘇聯(lián)6米口徑的反射式光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡鏡片的磨制加工，就是在一個(gè)溫度變化不超過0.1℃的恒溫車間內(nèi)進(jìn)行的。同時(shí)，由于加工過程中的熱變形，鏡面精拋光和修改面形的工作必須采取非連續(xù)性的操作辦法，并且須等到鏡片完成熱平衡過程之后才能檢查其磨制質(zhì)量。由于超低膨脹微晶玻璃的熱變形接近于零，這種鏡面的精拋光和修改面形的工作便可以連續(xù)進(jìn)行，且不須等到完成熱平衡過程便可檢驗(yàn)其磨制質(zhì)量，從而其鏡面精加工時(shí)間比普通光學(xué)玻璃鏡片要縮短4/5。而且這種鏡片對(duì)磨制加工的環(huán)境基本沒有要求，但由于其他技術(shù)上的原因，磨制加工這種鏡片最好保持清潔的環(huán)境和恒溫的條件。

大型反射式望遠(yuǎn)鏡的鏡片材料，除在熱慣性問題上要求相當(dāng)高之外，還有其他一些條件要求，如極小的內(nèi)應(yīng)力，較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，氣泡、結(jié)石等雜質(zhì)含量少等等。惟有超低膨脹微晶玻璃鏡坯材料才能夠較好地滿足這些條件要求，因此，它是當(dāng)前光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡鏡坯材料的發(fā)展方向。但是，超低膨脹微晶玻璃鏡坯材料的制造工藝復(fù)雜，技術(shù)條件要求高。因此只有美國(guó)、德國(guó)和前蘇聯(lián)這三個(gè)科技水平較為發(fā)達(dá)的國(guó)家能夠生產(chǎn)此類大型鏡坯。

我國(guó)2.2米超低膨脹微晶玻璃天文鏡坯研制項(xiàng)目的勝利完成，使我國(guó)成為了世界上第四個(gè)能夠生產(chǎn)此類大中型鏡坯的國(guó)家，較好地解決了我國(guó)光學(xué)天文觀測(cè)工作對(duì)優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃材料的需要，無(wú)疑將促進(jìn)我國(guó)天文事業(yè)的發(fā)展。