望远镜的“压力锅”_风闻

我们家里大都有一个压力锅。压力锅的好处是锅内的压强高于外界大气压强，从而提高锅内水沸腾的温度，能够更快地将食物煮熟。为了能承受这个压强差，锅体需要做得比普通锅更厚些，且密封性要好。图1中是目前市面上比较常见的电压力锅和普通压力锅，这款电压力锅有7档“压力/口感”可调，比如30KPa对应做米饭，70KPa对应做牛/羊肉，而这款普通压力锅只有一档90KPa。

图1. 电压力锅和普通压力锅 （图片来自网络）

这里的30KPa、70KPa和90KPa是什么意思呢？其实它们都是在该档工作时，锅内高出锅外的压强差。压强是单位面积上受到的压力，KPa是压强的单位─千帕斯卡，一个标准大气压约为101KPa，相当于760mm高的水银柱产生的压强，或大致相当于1平方米面积上承受10吨的压力。

不同的档位背后对应的锅内温度是多少呢？大气压一般会随着海拔升高而降低，也会随季节和温度而变化。水的沸点会随着压强的升高而升高，这是压力锅的工作原理；沸点也会随着压强的降低而降低，这是为什么在海拔比较高的地区用普通锅无法煮熟土豆，而这也成为300多年前法国物理学家丹尼斯·帕平发明压力锅的动力。根据水的沸点与压强的关系，很容易计算出，当外界环境接近1个大气压时，30KPa、70KPa和90KPa档位对应锅内水沸腾时的温度大致分别为106℃、114℃和117℃。

望远镜的压力锅

光谱仪是一种能将复色光按波长（颜色）色散成光谱的仪器，通过光谱能获得天体的组成元素及元素丰度、距离、表面温度、运动状态、活动性质等信息，因此光谱常被称作天体的“指纹”。与温度对设备热胀冷缩的形变影响类似，大气压强的变化也会造成光谱仪的光学器件和CCD相机的微小形变，尽管形变量小，但对于高精度视向速度测量，尤其是探测与地球类似的太阳系外行星这样的课题却是致命的。这是因为：地球引起太阳的视向速度变化幅度约为9cm/s，为了探测到太阳系外类地行星或比地球稍大些的“超级地球”，光谱仪的探测精度至少要好于1m/s。这要求分辨本领在70000左右的光谱仪能精确测量到焦面上4纳米的天体谱线位移，约为头发丝直径的1/10000。

如何能排除环境温度和压强的变化对光谱仪和CCD相机的影响？压力锅就这样被天文学家和工程师们从厨房请进了望远镜的圆顶。这次不是为了煮鸡腿，而是将精密的高分辨率光谱仪和CCD相机放入其中，他们已经为多台望远镜量身定制了各具特色的“压力锅”。

那么望远镜的“压力锅”是如何打造的呢？

以国家天文台团队为兴隆观测基地2.16米望远镜研制的这个“压力锅”为例，前期主要是对箱体受力变形（见图2）和温控方案的仿真（见图3），以确定最终方案，并完成设计、加工和现场安装调试。通过仿真可以验证方案是否安全。这个“压力锅”实际工作时内外压差因季节不同在0.30-3.95KPa范围变化，而仿真结果表明：压差10KPa情况下，箱体最大形变量只有0.32毫米，安全系数高于3.6，完全满足安全需求。图3是仿真箱体内左、右、上三面同时加热的情况下温度升高3℃并达到稳定的过程，未考虑箱体内放置设备情况，结果表明需要大约1小时。实际情况是我们给箱体的6个面都满铺了加热片同时加热，箱体内放置光谱仪和相机的情况下，大约需要24小时达到指定温度并保持稳定，压强可以在10-30分钟内达到指定压强并保持稳定。

图2. 仿真箱体内外10KPa正压差时箱体形变放大3000倍示意图（仿真：贾磊）

图3. 仿真箱体内左、右、上三面同时加热情况下温度升高3℃并达稳定过程（仿真：李陶然）

尽管外观或圆滑或方正各不相同，望远镜的这些“压力锅”都有一个共同的特征，即“压力锅”内的温度和压强要长期保持稳定，因此我们也常称他们为“恒温恒压罐”或“恒温恒压箱”。其中，“恒温”是通过温控实现的，具体温度值可根据观测台站环境设置，但温控精度要达到千分之几摄氏度量级，这比目前民用空调的温控精度（约1-2℃）要高近三个数量级；“恒压”是通过压强控制实现的，可根据自身设备情况选择真空、正压或负压都可以，但压控精度要好于0.02KPa。欧洲南方天文台（ESO）的HARPS光谱仪配备的真空罐是一个“真空压力锅”（见图4）。而更多的已建成的光谱仪会选择正压或负压控制，因为它们的电子器件并非为真空环境设计。国家天文台团队为2.16米望远镜研制的“恒温恒压箱”采用负压控制，长时间温控精度为0.005℃，压控精度为0.006KPa，是一个“负压压力锅”（见图5）。

图4. 欧洲南方天文台HARPS光谱仪的“真空压力锅”（图片来自：ESO）

图5. 兴隆2.16米望远镜HRS光谱仪的“负压压力锅”

期待2.16米望远镜的这个“压力锅”在天文学家手中煮出比鸡腿更诱人的“超级地球”，如果恰位于适合生命生存的宜居带就更妙了。

感谢中国科学院光学天文重点实验室和国家天文台“一三五项目”对研制这个“压力锅”的资助，感谢参与研制和讨论的每一位在自己岗位上闪着光的人。

参考文献

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

作者简介

王汇娟，理学博士，中国科学院国家天文台星云计划研究员，主要研究领域为天体物理和高精度测光和光谱探测方法研究。