Шлифоване и тестване на огледала за телескопи – част 3

Тех инфо | 16 юли 2022

Полиране

Полирането е крайния стадий на обработка, при който повърхността приема точната си геометрична форма със завършен огледален вид. Микрограпавините намаляват размера си от няколко µm до няколко nm, т.е. над 1000 пъти и стават сравними с размерите на самите атоми. На атомно равнище, процесът и до ден днешен не е добре изучен. Приема се, че е съвкупност от надраскване на окисния слой образуван върху стъклото от частиците на полиращата суспензия и един вид микро замазване на грапавините чрез приплъзване на атомните слоеве като следствие от притриването на повърхностите [4].

На този етап, процесът на обработка на огледалото продължава с изготвяне на специален полировалник. Представлява отново цементова отливка, обмазана с епоксидна смола и с кривина, отговаряща на кривината на вдлъбнатото стъкло. Върху работната си повърхност полировалникът се покрива с дебел слой (5 – 10 mm) от специална смола за полиране, която е основно смес от колофон, пек и малко пчелен восък. Пекът се получава при дестилацията на катран (въглищен или дървесен) с последващо разделяне на твърда фракция (пек) и течна (креозотно масло). Последното се използва за импрегнация на дървени детайли, като ж.п. траверси и др. В оптиката, дървесният пек е за предпочитане.

Смолата се приготвя чрез стапяне и смесване на компонентите на слаб огън до хомогенизиране на сместа [3]. Важно е смолата да не завира, защото прегаря много лесно и губи полиращите си качества. В слоя смола нанесен върху работната повърхност на полировалника, с помощта на горещ поялник (или по друг начин), се прорязват канавки, така че да се образува квадратна мрежа по същия начин, както при изготвянето на шлифовалника.

Полировалник за сферично огледало.
Полировалник за 250 mm огледало.

Най-важното качество на оптичната смола е способността и да тече. Буквално! Макар и твърда на външен вид, по физичните си свойства тя е течност с огромен вискозитет. Отделните квадрати на полировалника работят самостоятелно и карат смолата да следва кривината на стъклената повърхност с огромна точност. Като следствие, повърхността е не само полирана напълно, но и точната и геометрична форма може да бъде постигната. Друго важно качество е, че смолата позволява частиците на полиращата суспензия да се вкопават в нея и така да полират стъклото.

За полиращо вещество служат водни суспензии на някои неорганични окиси. Най-използвани са цериевият двуокис (CeO2) или двужелезният триокис (Fe2O3), известен още като крокус, английско червено, охра или червен руж. Цериевият двуокис полира най-бързо, но крокусът дава най-финна повърхност и е предпочитан в последните етапи от полирането при фигуризацията на огледалото.

Движенията на полировалника върху огледалото (или на огледалото върху полировалника) са плавни и овални, като двата детайла неперкъснато се въртят един спрямо друг. Звукът от процеса на полиране е съсвсем тих, подобен на леко свистене и както обичат да казват майсторите-оптици Огледалото пее. Повърхността периодически се проверява с помощта на малък микроскоп до пълното изчезване на каквито и да са следи от шлифовалния мат. Когато процесът на полиране е напълно завършен и повърхността на стъклото е придобила безупречен огледален блясък, се пристъпва към последната фаза от обработката – фигуризацията.

Фигуризация

Този етап има за цел да доведе огледалната повърхност до окончателния ѝ геометричен профил. При взаимното притриване с овални движения повърхността се стреми да приеме формата на идеална сфера, тъй като сферата има един и същ радиус на кривината за всички радиални зони спрямо оста на симетрия. В идеалния случай това се получава от само себе си, но в реалността не винаги е така. Повърхността на огледалото се оказва, че е съставена от зони с различни кривини и затова се налага да се правят зонални корекции. На този стадий, полирането върви ръка-за-ръка с изследването на повърхността чрез оптични методи, описани в следващата четвърта част.

Зоналните корекции се извършват или чрез ретуширане (надраскване) на повърхността на полировалника, за да се промени скоростта на обработка за дадената зона или чрез по-малък полировалник движещ се само в определена зона [2][4][5]. Сега е важно да се полира кратко, а да се отделя много повече време за тестове и анализ преди следващото полиране и т.н. За пример, при производството на метрови оптични огледала, на етапа на крайната фигуризация, цикълът на работа е следния. Полира се зонално около 10 – 20 минути и огледалото се оставя за денонощие да се темперира, т.е. да се изравни температурата в целия обем на стъклото. Следва ден посветен за тестване на повърхността, а следващите няколко дена екипът от специалисти обсъжда резултатите и взима решение как да продължи. И така, след седмица, цикълът се повтаря. Този стадий трае месеци и дори година. Това е съвсем разбираемо имайки предвид, че само за няколко минути неправилно полиране, многоседмичен труд може да се провали и работата да се върне на много по-ранен етап [1][6].

Фигуризацията е важна не само за изправянето на зоналните грешки, но най-вече, за придаване на окончателната математическа форма на повърхността. В случай на асферично огледало, т.е. с профил съвпадащ с някое от коничните сечения – елипса, парабола или хипербола, се налага плавно да се променя радиусът на кривината за отделните радиални зони. В този случай има два подхода: или слоят смола се оформя под специален шаблон така, че да полира с различна скорост в отделните зони, или се прави отделен малък полировалник със специална форма имащ същата цел. На фигурата по-долу са показани и двата случая.

Малки полировалници за фигуризация на асферични огледала.
Три полировалника за фигуризация на асферични параболични огледала. Първият е с форма на звезда. Вижда се как смолата се е разтекла с времето. Другите два са със специална форма, като функция на кривината за дадена зона от асферичната повърхност. И при двата полировалника смолата е вече премахната след използването им.

Както споменахме преди, фигуризацията е най-важна и изисква много спокойствие, търпение и разсъдителност. За много хора докоснали се до това умение, този етап е по-скоро мистика, отколкото точна наука и нашият опит го потвърждава. Често се случва след зонално полиране, противно на всякаква логика, резултатът да е точно обратния на този, който сме очаквали или дори да е съвсем различен. Уви, така е в действителност и искаме ли да успеем, трябва да сме готови за всякакви изненади.

От друга страна, методите за тестване на огледалата лежат върху строга научна основа. Има голямо разнообразие в подходите и техниките за изпитване на оптичните повърхности. В последната част от поредицата, ще опишем някои оригинални методи за тестване на асферични огледала, разработени от нас и използвани в нашата практика.

В първата част от нашия разказ можете да научите още за историята на телескопостроенето и за развитието на оптичната наука.

Литература

  1. Pacini et al. Optical telescopes of the future, ESO Conference, Geneva, 1978.
  2. Максутов Д. Изготовление и исследование астрономической оптики, Наука, 1984.
  3. Навашин М. Телескоп астронома-любителя, Наука, 1979.
  4. Наумов Д. Изготовления оптики для любительских телескопов-рефлекторов и ее контроль, Наука, 1988.
  5. Сикорук Л. Телескопы для любителей астрономии, Наука, 1982.
  6. Щеглов П. Проблемы оптической астрономии, Наука, 1980.