牛顿式反射式天文望远镜制作
牛顿式反射式天文望远镜制作讲义(文字部分)
讲义编写:台大物理 吴俊辉,王绍权,陈宣槐,黄郁升
网址:http://www. phys./lclab
一,主镜的研磨
研磨的的磨粉大小从46,80,120,240,500,1000到2500,材料是氧化铝.因为镜子的材料BVC较软的缘故,所以磨粉号数可以两倍的速度更换(例:120->240).若是较用较硬的玻璃材料,一次就只能变1.5倍(例:120->180).
A. 工作平台:
因为磨程中多余的水和磨粉会流到桌上,故在桌子一角铺上报纸后再垫上橡皮垫,保护镜子与工具.
B. 研磨方式:
双手掌心的连线通过镜心,四指靠在镜边缘,握太外面或太里面(太上或太下)都不好施力,磨的时候掌心不能超过底下的工具.范围约前后1/6~1/4个直径,不能超过1/3,两手的力量最好一样,边磨边向下施力.前后磨的路径要直,不要左右晃.
C. 一个程序:
先进行一个小程序:前后来回磨4~6次,逆时针旋转镜子约 45度,握着镜子人顺时针转约30度.重复小程序至人顺时针走到底,再继续小程序,唯换成握着镜子逆时针转30度.重复至人逆时针走到底,即完成一个程序.
D. 程序与程序间:
工具逆时针转约45度.若感觉已无摩擦力,则要加磨粉和
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水.把镜子拿离工具时,要注意不能让工具边缘磨到镜子中心,要注意:致命的刮痕都是在拿镜子的时候造成的.
E. 加磨粉:
磨粉一汤匙,用水将粉充分喷湿,喷散.镜子放上工具后,镜子的圆心绕工具的圆心绕几圈,使磨粉均匀后在开始磨.用奶粉的汤匙舀磨粉有异常的妙用,汤匙底部有小洞,可以慢慢的让磨粉流出来,这样便可以均匀且少量的洒在镜面上.当工具和镜面接触良好时,磨粉便要慢慢减少,因为颗粒越小的磨粉越容易粘成大的团块,易刮伤镜面
F. 要注意干的磨粉:
干的磨粉颗粒会凝结变大,会严重刮伤镜子,磨镜时不能使手上和镜子边缘干的磨粉掉到工作范围内.手脏不应搓手,而用水桶洗手的方式.
G. 测试曲率的方法:
三角仪的半径是2公分,测的时候要稍微移动位置,测到当地最高的值才是正确的(因三角仪的圆周一定是靠在镜面突起的部分).磨到2500的磨粉后,要用Ronchi test(做法见上学期报告)才能看出差别,因三角仪的精确度只有0.01公分.表面的均匀程度可用肉眼或辅以手电筒即可观察出来,换另一号磨粉前需要将表面都磨制均匀.
H. 修正曲率方式:
磨镜时的位移若小一点(1/6以下)是均匀的磨到整个镜面,同时改变整个镜子的曲率;大一点时(1/6~1/3)则是重点磨深,局部影响曲率.镜子在上工具在下时研磨到镜子中央,相反则研磨到边缘.例如镜子在上时用大的位移则会让中央部份磨深.依2照三角仪或Ronchi test测定的镜子曲率,来作不同的修正.
I. 环境的清洁:
换磨粉之前,或是前一次工作相隔时间长,就必须作清洁的工作.地板,磨镜的桌子,柜子都用抹布和除尘拖把仔细清过一遍,不能有前次的大磨粉残留,会刮伤镜片.镜子,工具和垫子也都用牙刷,牙膏仔细刷洗过.
用空罐子把磨粉分装,从小的开始再装大的,因为大磨粉里参有小磨粉也不会刮伤镜片.分装好的磨粉不要全放在一起,分开放置不同的柜子较不易污染.柜子还需要一个塑胶布来挡住,以免有外来颗粒入侵.使用时要用更小的药罐先分装,不要重复接触大罐子,使表面有磨粉的机率增加. 厨房纸巾和静电布要收藏在箱子里,要用时一次拿一张,以免沾上磨粉.换磨粉时最好也换一卷纸巾.
J. 防止镜边缘破碎:
用炒菜锅乘水和46号磨粉把镜子的边缘磨掉约4mm,用完后磨粉和剩下的水都不须清干净,这样湿润的磨粉较不易飞散,再直接放到测试桌下面的纸箱内收妥.要随时注意边缘会不会太尖,以防碰撞而破碎.
K. 若工具和镜子吸住推不开:
研磨时要随时注意水是否太少,不然工具和镜子间的摩擦力和吸附例会太大以致于分不开.解决办法有很多种.若从透明的工具看进去,中间的水还没有干掉,表示转不开是由于周围干掉,可从上面对工具中间加压,把中央有水的部分压开,分散附着力,同时在用手转(不能用扳开的方式,以防危险),就可以转开.若还不行,就表示整个水分都快干掉的,可以把镜子和工具一起放到约五十度热水中,利用两者膨胀系数的不同(BVC几乎膨胀系3数为零),即可拆开.
L. 刮痕:
通常是干掉的磨粉或是前一程序的残留磨粉造成的.当磨粉很细时,会飘散到空中,所以清洁工作要很彻底,甚至连身上都需要先用除尘纸擦过.若有刮痕,可用手电筒观察其深度,通常可以在下一个阶段的磨粉可以被淡化,但无法消除.只要不是太严重,事实上对光学表现不会影响太大.所以通常不会为了一条刮痕再增加该磨粉的磨程时间.
二,主镜的抛光
抛光通常和研磨一样需要很多个磨粉的流程,但这次我们只有用一种大小的氧化铯,所以花的时间会较长.此外,原来工具的玻璃材料对抛光来说太粗糙,所以要在原来工具的表面在铺上一层沥青.
A. 氧化铯磨粉:
因氧化铯比奶粉还要细,会粘着任何容器,所以不易用汤匙拿取.因此把它和水1比4溶在装西红柿酱的瓶子里,直接用磨粉水的形式代替分别加磨粉和水,使用时要先摇晃均匀,使瓶子底部没有磨粉沉淀.
B. 沥青工具的制作:
我们用有把柄的锅子和高山瓦斯炉将沥青融化.融化的沥青很像麦芽糖(这次用的是比较高级的沥青,外表是黄色的.沥青是混合物,其中成分的比例会影响他的软硬度和色泽),加热要用非常小的火,一来因为沥青的熔点很低,二来加温太高会产生非常多气泡,使液体成分蒸散而改变成分比例.表面的一层泡沫可
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以用汤匙挑掉,一边加热一边要用筷子将底部融化的跟上层未熔的搅拌.
工具的边缘用厚胶带贴一圈,高出表面3公分左右,再把沥青倒入,量约1公分厚才足够,用筷子把气泡挑掉.约五分钟后(是沥青干的程度),用铁棍将表面压成格子状,把镜子表面涂满氧化铯溶液(镜子要稍微用吹风机加热,以免镜子和工具的温度相差太多让沥青瞬间凝固),压到工具上,人再压上去约15分钟,将沥青压成和镜子曲率一样.镜子拿开后用磨粉的附着状况判断曲率(通常是中央没被压到,所以中间会没有粉红色的磨粉黏着),曲率未到可放到热水中加热工具,然后再压一次. 压好后工具的边缘用榔头敲掉,使沥青的面积小于镜子,压的时候才不会有大于镜面的部份压不到而突起.沥青碎片可稍微清一下,但因质地很细,就算有残留也不会磨伤镜子.
C. 工作平台:
防滑垫因为有弹性会抵销力量,所以要换成用厚木板垫底,上面作四个木块刚好夹住工具,再用两个C型夹把木板固定在桌角.木块的高度要小于工具的,这样工具上的镜子才能有位移.工具和木块间的空隙用小的锲型木块塞住,磨的时候才不会前后动或是转动.
D. 抛光方式:
用氧化铯抛光时,附着力明显大于以前任何一种磨粉,非常难移动镜子.磨粉水很不容易流失,因为有沟槽的关系,所以就算磨一整圈也不用加磨粉水.最好都以镜子在上的方式抛光,这样若有大颗粒的东西才容易从工具的勾槽流掉,镜子在下容易刮伤.此时的位移只需要1/6,因为是整体抛光的关系,不用大位移来加强局部.因为镜子在上,所以边缘会比较难磨到,用直线来回磨几次后可改为W行的磨法,增加边缘磨的机会.
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E. 沥青工具的校准:
隔一两天以上重新要磨之前都需要再校准工具的曲率,把工具放到热水加热,再用人的重量压20分钟.但施压的人不可左右晃动,否则工具的边缘曲率会太大超过预期,这样抛光的时候,边缘会接触不到,只有镜子中央被抛光.
F. 测试曲率的方法:
一开始可用Ronchi test测镜面和目标球面相差多少,再改变工具和镜子的位置,或是位移的大小来修正.最后用W型磨法抛物面化后(抛物面化只要约半小时,因球面和抛物面相差甚少),可用Foucault test测其抛物面化的程度.
三,一般预期工作成果
以口径32cm的镜片为例,主镜研磨和抛光的过程,研磨需约27个程序(46磨粉-3次,80磨粉-9次,120-7,240-2,500-2,1000-2,2500-2),抛光约20个程序,各需18到20个小时,因此实际的磨镜时数近40个小时可完成(不包含所有准备与清洁时间).镜面可能会有几处刮痕,但应不影响未来的整体表现.整体镜面的误差可用Foucault test的软体来计算,一般若控制在1/8个可见光波长以下,已算是非常优良的表现,本实验室的技术可达到1/20个可见光波长
的准确度约为25奈米.之后主镜镜面蒸镀时,镀铝约100 ~200nm两层,和一层二氧化硅作为保护.
望远镜本体:
大部分采用铝门窗的铝制材料,座台使用Dobsonian的设计,目镜座则用Crayford的设计,斜镜架,目镜架,主镜架都有三点微调6机制,可以调整斜镜目镜与主镜的平面倾斜度,以调整光轴.
望远镜能力
D(口径) = 31.1cm
F(焦距) = 146.75cm
F-ratio(焦比)= 4.72
P(集光力)= 1974
M(极限星等)= 14.7
FOV(视场)= 0.35度
解析力 = 0.41角秒
极限倍率 = 约44倍 ~ 550倍
适合搭配的目镜约33mm-3mm
注:关于制作过程之图片资料,可由以下网站下载:
http://jhpw.phys.
