Тепловые эффекты внутри трубы телескопа

Секреты повседневного использования астрономических инструментов, их юстировки и регулировки

Тепловые эффекты внутри трубы телескопа

Сообщение bot » 29 окт 2009, 21:33

Из-за чего ухудшается качество изображения зеркальной оптики до полной тепловой стабилизации


Причин две. По мере остывания трубы телескопа происходит неравномерная деформация поверхностей оптических элементов. Кроме того воздух внутри трубы расслаивается на теплый и холодный, что приводит к градиенту (перепаду) показателя преломления и соответствующей деформации волновых фронтов внутри трубы.

Тепловая деформация оптических поверхностей


Оптика как правило изготавливается из стекла и подобных ему материалов, которые характеризуются довольно низкой теплопроводностью. При перемене внешней температуры (например, понижении при выносе оптического прибора из помещения или в начале ясной ночи) наружные слои оптической детали меняют свою температуру скорее, чем внутренние. Возникает неравномерное распределение температуры по детали (температурный градиент), а с ним постольку-поскольку есть зависимость объема от температуры возникает внутренняя напряженность, которая выгибает деталь. Профиль деформации сильно зависит от условий охлаждения, геометрии детали и ее материала. При этом возникает во-первых общая деформация низких порядков (выгибание, прогиб), которая не очень опасна (кроме случая плоских деталей в наклонных пучках), хотя и приводит к необходимости контролировать фокусировку. Во-вторых, возникают меньшие по амплитуде деформации высоких порядков, которые достигают наибольших значений у края детали формируя "подвернутый" или "приподнятый" край и т.п. Такого сорта деформации приводят к появлению аберраций подобных сферической, которые усугубляются проблемами с разгрузкой неверным выбором тепловых зазоров оправ.

Преломляющая оптика от таких деформаций страдает в меньше мере. Дефект преломляющей поверхности передается световому фронту с коэффициентом (n-1), где n - коэффициент преломления стекла (обычно около 1.5), а вот дефект внешнего зеркала передается с коэффициентом 2. То есть преломляющая оптика реагирует на тепловые деформации примерно вчетверо меньше, чем отражательная. Кроме того линзы обычно состоят из пары поверхностей при этом деформация первой поверхности обычно повторяется второй с обратным знаком, то есть линзовая оптика склонна (пусть и частично) компенсировать эффект от тепловых деформаций своих поверхностей.

У Д.Д.Максутова в книге "Изготовление и исследование астрономической оптики" подробно рассмотрел способы борьбы с такого сорта тепловыми деформациями. Это в первую очередь рациональный выбор материала для зеркал. Материал должен иметь теплопроводность по-больше, тепловой коэффициент расширения по-меньше, больший модуль упругости (в порядке убывания предпочтения: ситалл - кварц - пирекс - крон - флинт). Следует избегать излишне массивных (толстых) заготовок под зеркала, придавать им рациональную (максимально облегченную при той-же жесткости) форму. Максутов полагал, что будущее за металлическими зеркалами - настолько полагал важным минимизацию тепловых деформаций зеркальной оптики.

см. также термоастигматизм

Тепловые градиенты воздуха


Во время остывания внутри трубы телескопа устанавливается своего рода динамическое равновесие. Наиболее массивные, аккумулирующие тепло, детали отдают избыток тепла окружающему их воздуху, который нагреваясь создает конвекционные потоки поднимается по трубе вверх и отдавая тепло материалу стенки трубы (играет роль радиатора) охлаждается и спускается вниз за новой порцией тепла. Таким образом воздух играет роль пассивного теплового носителя в переносе тепла от зеркал и линз к относительно холодным стенкам трубы. В итоге между воздухом нижней и верхней части трубы создается значительная разность температуры. Показатель преломления воздуха невелик, примерно 1.000293, но он имеет зависимость от плотности воздуха, а следовательно и температуры. Показатель преломления воздуха меняется примерно на 0.000001 при изменении температуры на один градус (в пределах т.н. "нормальных условий"). То есть при разнице температуры всего в один градус между нижней и верхней частью метровой трубы телескопа возникает дефект волнового фронта в 1 мкм или две длины волны! Это существенный негативный вклад в расчетный аберрационный баланс телескопа.

Так-же как и в случае деформаций поверхностей большая часть деформации светового волнового фронта описывается низкими пространственными гармониками типа наклона волнового фронта и расфокусировки. Это особенно справедливо для рефракторов - у них труба закрыта, что способствует уменьшению высокочастотных составляющих турбуленции. Да и наиболее инертный в плане теплового равновесия элемент (объектив) расположен в верхней части трубы, что не способствует развитию сильной конвекции. У Ньютонов картина обратная - труба открыта, наиболее инертный в части теплопотерь элемент (главное зеркало) внизу. Это способствует развитию сильных конвекционных процессов в воздухе перед объективом: подогретый теплой массой зеркала воздух поднимается вдоль трубы вверх и заменяется холодным, который проникает или снизу (через щели в оправе), или в худшем случае - сверху (при закупоренном тыльном конце трубы). Встречные потоки теплого и холодного воздуха рождают особенно сильную высокочастотную составляющую градиента показателя преломления. Эффект от тепловой конвекции внутри трубы Ньютона усиливается двукратным ходом света через воздушные оптические неоднородности. Особенно же особенно страдают от температурных градиентов воздуха внутри трубы зеркально-линзовые схемы вроде Шмидт-Кассегрена и Максутов-Кассегрена из-за разнесенной схемы компенсации аберраций. Неодинаковость показателя преломления воздуха по объему трубы вмешивается в ход компенсации аберраций и как результат возникает временная взаимная разъюстировка оптических элементов, которая усугубляется для Максутовских систем толщиной мениска (довольно существенная теплоизоляция по сравнению с пластинкой Шмидта). К этому добавляется трехкратный проход света через одни и те-же неоднородности показателя преломления. Единственное преимущество ШК и МК по отношению к Ньютону - закрытая труба, что уменьшает высокочастотную (особенно неприятную) составляющую оптической неоднородности воздушной массы.

Схема борьбы с воздушными тепловыми градиентами внутри трубы довольно проста и эффективна. Необходимо провести набор мероприятий которые с одной стороны ускорят охлаждение механических и оптических деталей (что уменьшает движущую силу разгоняющую конвекцию в оптическом тракте трубы), а с другой - уменьшат разность температуры воздуха и вообще температур всех деталей трубы. Для этого требуется в общем-то одно: принудительно усилить циркуляцию воздуха внутри трубы телескопа при помощи, к примеру, введения внутрь трубы вентилятора гоняющего воздух по трубе (особенно вблизи особенно теплых и/или особенно холодных деталей: главного зеркала, мениска, стенок трубы). Конструктивно труба должна быть выполнена так, чтобы все ее внутренние детали хорошо обдувались, циркуляция разгоняемого воздуха хорошо продумана. Это одновременно ускорит остывание деталей и будет способствовать выравниванию температур внутренних деталей и уменьшению оптической неоднородности воздушной массы. Еще более радикальный метод - интенсивная вентиляция внутреннего объема трубы наружным воздухом, что правда чревато большей запыленностью оптики и более частым ее помывкам.

Назад к оглавлению статей
bot

 
Сообщения: 31
Зарегистрирован: 28 окт 2009, 12:20

Тепловые эффекты внутри трубы телескопа

Сообщение Ernest » 24 мар 2011, 21:33

Пытаюсь понять. что термостабилизируеться.
Лето. ночь +16С - термостабилизация наступает при +16С.
Зима -10С - термостабилизация наступит при охлаждение телескопа до -10С.
Значит геометрия зеркала не изменяется. Так . что же влияет на оптику?


Если у вас труба телескопа и все ее нутро достигли идеального температурного равенства с окружающей средой (хоть при +16С, хоть при -10С), то никаких микродеформаций оптических поверхностей нет, как не должно быть и тепловых потоков внутри трубы. Единственно что может произойти (и происходит) - из-за разности коэффициентов линейного расширения материала оправ, трубы и стекол оптических деталей нарушается соотношение линейных размеров трубы и оптических деталей.
К примеру:
  • труба сжалась немного больше, чем зеркало и фокус сместился - произошла расфокусировка, особенно заметная в кассегренах;
  • оправа на морозе сжимается быстрее, чем стекло в ней и если тепловой зазор недостаточен (а такое сплошь и рядом) может произойти пережатие оптики в оправе с соответствующими артефактами в изображении;
  • если диагональное зеркало приклеено к металлическому основании задней стороной (и такое случается), при снижении температуры его выгибает подобно биметаллической пластине и появляется астигматизм;
  • если главное зеркало сделано из не очень однородного материала, или еще хуже с двулечепреломлением, то при изменении температуры оно начинает идти винтом;
  • линзовая оптика (ахромат, а тем более апохромат) может среагировать на падение температуры появлением хроматизма (термоаберрации) из-за изменения взаимной геометрии линз объектива и различного изменения показателей преломления, дисперсии...

Другое дело, что полное тепловое равновесие под открытым небом это все же недостижимая абстракция. Воздух в течение ночи постоянно меняет свою температуру. Некоторые части телескопа даже и после длительного отстоя остаются все еще теплее окружающей среды других частей телескопа. Они служат источником (своего рода печкой) для восходящих конвекционных токов нагревая примыкающие к ним объемы воздуха. Особенно долго остывают массивные куски стекла (и проч. неметаллов), тем более покрытые зеркальным покрытием (зеркало снижает перенос тепла радиацией ИК излучения). А некоторые части трубы напротив - много холоднее окружающего воздуха. Именно те которые интенсивно теряют тепло излучением ИК радиации и на которых оседает роса и иней. На них воздух охлаждается, что также приводит к появлению конвекционных токов, только нисходящих. Ну и вся эта турбулентность - смесь восходящих и нисходящих воздушных потоков внутри трубы очень негативно сказывается на качестве изображения - ведь воздух разной температуры имеет и немного разные показатели преломления. Изображение существенно страдает от этой внутритрубной вакханалии - особенно в открытых трубах.

Кроме того, остывающие и не пришедшие еще к тепловому равновесию с окр. средой оптические элементы имеют существенный перепад температуры внутри своего объема, что и приводит к уже помянутым "микродеформациям" оптических поверхностей и опять-же специфических аберрациям ухудшающим изображение.

Если добавить ко всему этому дыхание и проч. тепловыделения наблюдателя (а часть этого очень теплого воздуха волей-неволей проходит перед объективом телескопа) то картина становится совершенно безрадостной - и как это люди умудряются видеть хоть что-нибудь в свои телескопы!
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
 
Сообщения: 9558
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1


Вернуться в Эксплуатация

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 4