微晶玻璃与光学天文望远镜

●　张　健

微晶玻璃，全称超低膨胀微晶玻璃，也有人简称零膨胀玻璃。这种玻璃有膨胀系数极低等重要特性，因此它是制造大型反射式光学天文望远镜镜片的优质材料。

谈到光学天文望远镜，人们会联想到1609年意大利物理学家兼天文学家伽利略发明的折射式光学天文望远镜，1671年英国物理学家牛顿又发明了反射式光学天文望远镜并用于天文观测的历史。光学天文望远镜的发明，是天文观测工具一个划时代的进步，它结束了人类只能依靠肉眼观测天体的历史，反射式光学天文望远镜的发明还奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。

自发明光学天文望远镜以来，人类的光学天文观测设备，包括目前最先进的地面和空间光学天文观测设备在内，玻璃镜片都一直是它们关键的组成部分。但是，300多年来，光学天文望远镜所用的玻璃镜片一直是膨胀系数较高的普通光学玻璃。20世纪60年代中期研制出的超低膨胀微晶玻璃，其特性之一是膨胀系数在使用温度范围内接近于零。例如，1984年通过鉴定的由上海新沪玻璃厂研制的直径2.2米超低膨胀微晶玻璃天文镜坯，在0℃～－50℃范围内的膨胀系数仅为普通光学玻璃膨胀系数的1％。因此，用这种玻璃能够磨制出光学质量很好的反射镜面。

对于大型反射式光学天文望远镜来说，超低膨胀微晶玻璃的重要性不言而喻，其主要在于以下两个方面。

第一方面，其星象质量不受望远镜镜片热惯性的破坏，这是评价望远镜镜片光学质量好坏的重要指标之一。

众所周知，光学天文望远镜的主要指标，一是其终端的分辨能力，二是其主镜镜片的口径大小。由于星光极弱，若望远镜口径不够大，聚光不够多，经过光栅色散后光信号就更微弱，无法进行光谱分析研究，照相也会暗弱不清。增大望远镜口径，还可避免一些大气流源而提高信噪比。因此，现代光学天文望远镜除利用最新技术改进终端系统的分辨能力外，还尽力加大望远镜口径。然而，望远镜口径的加大，除增加制造望远镜的技术难度和经费支出外，还加大了望远镜主镜镜片的热惯性。当夜间打开观测室准备使用望远镜时，望远镜周围的温度便会升高或下降，主镜镜片便随之产生热胀或冷缩的变形，使观测的天体质量变坏，对目视、照相或分光观测都带来不利的影响。大型光学天文望远镜的主镜镜片相当大，相当厚，其热惯性很大。打开观测室后，望远镜的主镜镜片与其周围温度的平衡过程就相当长，即消除主镜镜片热畸变的时间就相当长。

前苏联科学院特别天体物理天文台6米口径的反射式光学天文望远镜，其主镜镜片是用普通光学玻璃制成的，膨胀系数相当高。这台望远镜在实际使用中，由于外界大气中逐夜的温度有几摄氏度的变化，从而引起主镜镜片难以收拾的热畸变。这块厚厚的镜片热惯性非常大，要使它同外界的温度变化完全平衡起来需要花费三天的时间。

因此，只有在连续几个夜晚大气温度相同而且使白天观测室内的温度恒定于夜晚大气温度的条件下，这块6米镜片才能完全消除热畸变的影响，即才能正常地进行观测。很明显，这样的特殊条件，实际上是无法提供的，所以这台望远镜始终不能正常工作。前苏联天文学家曾试图在白天按照夜间预计可能出现的温度来调整6米镜片的温度，但收效甚微。因为大型的圆镜片具有巨大的热惯性，调整镜片温度等等努力都是无法实现的，惟一的解决办法是用一块超低膨胀微晶玻璃镜片去替换原来的派勒克斯玻璃镜片。1949年投入使用的美国海耳天文台5米口径的反射式天文望远镜，也存在与前苏联6米望远镜类似的毛病，只因这块5米镜片要薄得多，打开观测室后几个小时之内镜片的温度与外界气温就能基本平衡，因此对观测工作的不利影响较之前者要小得多。由此不难看出，超低膨胀微晶玻璃镜片对于大型反射镜是多么重要。

第二方面，镜片在磨制过程中不需要等到热平衡即可检察质量，可大大缩短加工周期。由于普通光学玻璃的热变形很明显，磨制这种镜片的环境条件要求较高，尤其是镜面精抛光和修改面形的过程，必须在恒温车间内进行。

前苏联6米口径的反射式光学天文望远镜的主镜镜片的磨制加工，就是在一个温度变化不超过0.1℃的恒温车间内进行的。同时，由于加工过程中的热变形，镜面精抛光和修改面形的工作必须采取非连续性的操作办法，并且须等到镜片完成热平衡过程之后才能检查其磨制质量。由于超低膨胀微晶玻璃的热变形接近于零，这种镜面的精抛光和修改面形的工作便可以连续进行，且不须等到完成热平衡过程便可检验其磨制质量，从而其镜面精加工时间比普通光学玻璃镜片要缩短4/5。而且这种镜片对磨制加工的环境基本没有要求，但由于其他技术上的原因，磨制加工这种镜片最好保持清洁的环境和恒温的条件。

大型反射式望远镜的镜片材料，除在热惯性问题上要求相当高之外，还有其他一些条件要求，如极小的内应力，较高的机械强度和硬度，良好的化学稳定性，气泡、结石等杂质含量少等等。惟有超低膨胀微晶玻璃镜坯材料才能够较好地满足这些条件要求，因此，它是当前光学天文望远镜镜坯材料的发展方向。但是，超低膨胀微晶玻璃镜坯材料的制造工艺复杂，技术条件要求高。因此只有美国、德国和前苏联这三个科技水平较为发达的国家能够生产此类大型镜坯。

我国2.2米超低膨胀微晶玻璃天文镜坯研制项目的胜利完成，使我国成为了世界上第四个能够生产此类大中型镜坯的国家，较好地解决了我国光学天文观测工作对优质光学玻璃材料的需要，无疑将促进我国天文事业的发展。