海德汉:报道︱探索太阳

国际金属加工网 2021年07月22日

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工业企业支持科学研究非常重要,但遗憾的是现在已非常罕见。海德汉和海德汉员工在这项挑战面前的积极投入和奉献极为难得和可贵。

KISVTF项目经理

Michael Sigwarth博士

似乎近在咫尺,还为地球上的生命提供成长和茂盛的基础:这就是太阳。然而,我们对太阳内部的了解十分有限。研究太阳的科研人员希望使用位于夏威夷的DKIST全新太阳望远镜改变这一现状。位于弗莱堡的KIS(原Kiepenheuer太阳物理研究所,现为莱布尼茨太阳物理研究所)为该望远镜研制一款可见光可调滤光器。滤光系统的调整由海德汉高达一纳米精度的直线光栅尺控制。

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细节首次展现

目前研究太阳的能力十分有限。以前,我们只能观察到太阳累积的变化,研究太阳的科研人员无法看到细节。位于夏威夷的DKIST决意改变这一状况。反光镜直径4m,这是全球最大的太阳望远镜,高分辨率地成像太阳的表面结构,其最小尺寸可达20km。

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DKIST太阳望远镜位于海拔3000多米的Haleakalā山峰的山顶,这是夏威夷毛伊岛上的最高峰,该望远镜现已施工完毕(照片提供:Michael Sigwarth博士,KIS)。

用一个简单的例子说明进行太阳表面的这样成像对光学性能的苛刻要求:从地球观察太阳20 km的表面结构相当于在40 km外阅读一张报纸。研究太阳的科研人员用DKIST望远镜从法国加来可以阅读位于英吉利海峡对岸的英国多佛港报亭处的本期Klartext杂志!

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VTF分析阳光

位于弗莱堡的莱布尼兹太阳物理研究所(KIS)研制可见光可调滤光器(VTF),将其用于分析由太阳表面辐射的超高分辨率和超窄波长的光带。因此,太阳科研人员可以收集有关太阳表面的等离子体温度、压比、磁场强度、等离子体运动等信息,并收集磁场变化数据。

VTF的设计原理十分简单。将太阳光导入到空气狭缝中,空气狭缝的两边是半透明的镀膜玻璃板。光线在空气狭缝中反复进行反射,反射光产生干涉,因此可以滤除部分波长的光。被滤除的特定光谱范围取决于空气狭缝的宽度,也就是玻璃板间的距离。

精确地选择光波波长需要高精度并需要保持两块玻璃板间的位置完全平行。但是,科研人员不希望该系统只能研究一种波长。科研人员更感兴趣的是不同波长间的变化,这是玻璃板需要保持运动的原因。

原子级高精度

看似简单的要求需要测量系统达到极高的性能。每步调整中,为确保定位中重复达到要求的高精度,需要20 pm的测量步距。此外,一小时内的测量总误差不能超过100 pm。该量级的尺寸相当于原子的直径。可以这样比较:120 pm通常是氢原子的尺寸。

KIS的工学硕士Clemens Halbgewachs确定地说:“整个系统的难点在于距离测量。”他解释说:“我们最初确定只用三个直线光栅尺确定上端玻璃板的位置。但不幸的是,精度完全无法达到我们的要求。因此,我们做了调查并找到原因。温度仅仅变化百分之一摄氏度,位置偏差将影响下端玻璃板的位置。”现在,我们共使用六个海德汉LIP 382直线光栅尺,并配标准读数头和定制的光栅尺带,下端玻璃板使用三个,上端玻璃板使用另外三个。

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各边的直线光栅尺:由六个海德汉直线光栅尺环绕在滤光器的玻璃板周围。

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光栅精度相当于氢原子的尺寸:5 μm运动程上的精度至关重要。

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步步接近

为VTF开发和生产特殊光栅尺带需要许多领域的能力,包括海德汉的研发和生产部。新改进的刻线机为满足KIS的要求提供了必要条件。即使如此,机床精度也需要在各方面达到极致,为此,员工需要面对前所未有的挑战,尽管如此,他们不辱使命创造性地达到要求。

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可见光可调滤光器(VTF)上的专用LIP 382直线光栅尺和LIP 38读数头。

将光栅尺安装在 VTF上也需要新方法。对于这类背胶尺带,海德汉使用的许多粘结固定方法都不适用。尽管如此,他们还是成功开发出一种粘结固定工艺,用该工艺和在KIS实验室条件下,可进行固定并能满足严苛的标准要求。为在弗莱堡正确地进行粘结固定,KIS工程师参加在海德汉总部举办的粘结固定专题研讨会。特别重要的是,在这次专题研讨会期间,学员可以在实际条件下并用废品件进行粘结固定练习。

+  LIP敞开式直线光栅尺:

www.heidenhain.de/exposed-linear-encoders

有关DKIST望远镜的更多信息和新闻:

+www.leibniz-kis.de/de/projekte/visible- tunable-filter

+  www.nso.edu/telescopes/dki- solar-telescope


( 海德汉)

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