微晶玻璃與光學天文望遠鏡

●　張　健

微晶玻璃，全稱超低膨脹微晶玻璃，也有人簡稱零膨脹玻璃。這種玻璃有膨脹系數極低等重要特性，因此它是制造大型反射式光學天文望遠鏡鏡片的優質材料。

談到光學天文望遠鏡，人們會聯想到1609年意大利物理學家兼天文學家伽利略發明的折射式光學天文望遠鏡，1671年英國物理學家牛頓又發明了反射式光學天文望遠鏡并用于天文觀測的歷史。光學天文望遠鏡的發明，是天文觀測工具一個劃時代的進步，它結束了人類只能依靠肉眼觀測天體的歷史，反射式光學天文望遠鏡的發明還奠定了現代大型光學天文望遠鏡的基礎。

自發明光學天文望遠鏡以來，人類的光學天文觀測設備，包括目前最先進的地面和空間光學天文觀測設備在內，玻璃鏡片都一直是它們關鍵的組成部分。但是，300多年來，光學天文望遠鏡所用的玻璃鏡片一直是膨脹系數較高的普通光學玻璃。20世紀60年代中期研制出的超低膨脹微晶玻璃，其特性之一是膨脹系數在使用溫度范圍內接近于零。例如，1984年通過鑒定的由上海新滬玻璃廠研制的直徑2.2米超低膨脹微晶玻璃天文鏡坯，在0℃～－50℃范圍內的膨脹系數僅為普通光學玻璃膨脹系數的1％。因此，用這種玻璃能夠磨制出光學質量很好的反射鏡面。

對于大型反射式光學天文望遠鏡來說，超低膨脹微晶玻璃的重要性不言而喻，其主要在于以下兩個方面。

第一方面，其星象質量不受望遠鏡鏡片熱慣性的破壞，這是評價望遠鏡鏡片光學質量好壞的重要指標之一。

眾所周知，光學天文望遠鏡的主要指標，一是其終端的分辨能力，二是其主鏡鏡片的口徑大小。由于星光極弱，若望遠鏡口徑不夠大，聚光不夠多，經過光柵色散后光信號就更微弱，無法進行光譜分析研究，照相也會暗弱不清。增大望遠鏡口徑，還可避免一些大氣流源而提高信噪比。因此，現代光學天文望遠鏡除利用最新技術改進終端系統的分辨能力外，還盡力加大望遠鏡口徑。然而，望遠鏡口徑的加大，除增加制造望遠鏡的技術難度和經費支出外，還加大了望遠鏡主鏡鏡片的熱慣性。當夜間打開觀測室準備使用望遠鏡時，望遠鏡周圍的溫度便會升高或下降，主鏡鏡片便隨之產生熱脹或冷縮的變形，使觀測的天體質量變壞，對目視、照相或分光觀測都帶來不利的影響。大型光學天文望遠鏡的主鏡鏡片相當大，相當厚，其熱慣性很大。打開觀測室后，望遠鏡的主鏡鏡片與其周圍溫度的平衡過程就相當長，即消除主鏡鏡片熱畸變的時間就相當長。

前蘇聯科學院特別天體物理天文臺6米口徑的反射式光學天文望遠鏡，其主鏡鏡片是用普通光學玻璃制成的，膨脹系數相當高。這臺望遠鏡在實際使用中，由于外界大氣中逐夜的溫度有幾攝氏度的變化，從而引起主鏡鏡片難以收拾的熱畸變。這塊厚厚的鏡片熱慣性非常大，要使它同外界的溫度變化完全平衡起來需要花費三天的時間。

因此，只有在連續幾個夜晚大氣溫度相同而且使白天觀測室內的溫度恒定于夜晚大氣溫度的條件下，這塊6米鏡片才能完全消除熱畸變的影響，即才能正常地進行觀測。很明顯，這樣的特殊條件，實際上是無法提供的，所以這臺望遠鏡始終不能正常工作。前蘇聯天文學家曾試圖在白天按照夜間預計可能出現的溫度來調整6米鏡片的溫度，但收效甚微。因為大型的圓鏡片具有巨大的熱慣性，調整鏡片溫度等等努力都是無法實現的，惟一的解決辦法是用一塊超低膨脹微晶玻璃鏡片去替換原來的派勒克斯玻璃鏡片。1949年投入使用的美國海耳天文臺5米口徑的反射式天文望遠鏡，也存在與前蘇聯6米望遠鏡類似的毛病，只因這塊5米鏡片要薄得多，打開觀測室后幾個小時之內鏡片的溫度與外界氣溫就能基本平衡，因此對觀測工作的不利影響較之前者要小得多。由此不難看出，超低膨脹微晶玻璃鏡片對于大型反射鏡是多么重要。

第二方面，鏡片在磨制過程中不需要等到熱平衡即可檢察質量，可大大縮短加工周期。由于普通光學玻璃的熱變形很明顯，磨制這種鏡片的環境條件要求較高，尤其是鏡面精拋光和修改面形的過程，必須在恒溫車間內進行。

前蘇聯6米口徑的反射式光學天文望遠鏡的主鏡鏡片的磨制加工，就是在一個溫度變化不超過0.1℃的恒溫車間內進行的。同時，由于加工過程中的熱變形，鏡面精拋光和修改面形的工作必須采取非連續性的操作辦法，并且須等到鏡片完成熱平衡過程之后才能檢查其磨制質量。由于超低膨脹微晶玻璃的熱變形接近于零，這種鏡面的精拋光和修改面形的工作便可以連續進行，且不須等到完成熱平衡過程便可檢驗其磨制質量，從而其鏡面精加工時間比普通光學玻璃鏡片要縮短4/5。而且這種鏡片對磨制加工的環境基本沒有要求，但由于其他技術上的原因，磨制加工這種鏡片最好保持清潔的環境和恒溫的條件。

大型反射式望遠鏡的鏡片材料，除在熱慣性問題上要求相當高之外，還有其他一些條件要求，如極小的內應力，較高的機械強度和硬度，良好的化學穩定性，氣泡、結石等雜質含量少等等。惟有超低膨脹微晶玻璃鏡坯材料才能夠較好地滿足這些條件要求，因此，它是當前光學天文望遠鏡鏡坯材料的發展方向。但是，超低膨脹微晶玻璃鏡坯材料的制造工藝復雜，技術條件要求高。因此只有美國、德國和前蘇聯這三個科技水平較為發達的國家能夠生產此類大型鏡坯。

我國2.2米超低膨脹微晶玻璃天文鏡坯研制項目的勝利完成，使我國成為了世界上第四個能夠生產此類大中型鏡坯的國家，較好地解決了我國光學天文觀測工作對優質光學玻璃材料的需要，無疑將促進我國天文事業的發展。