Тема: ПОСТРОИТЬ ТЕЛЕСКОП ПРОСТО.

[олег]

Получениие сферы. Стартовой поверхностью перед параболизацией служит сфера. Первое, что бросилось в глаза при «первом свете»--это недополированность средней зоны (рис .17). Темная зона явно плохо отражала свет, что было вызвано остаточной матовостью. Теневой профиль показывал наличие бугра в центре.

Продолжая работать длинным штрихом, остаточная матовость сполировалась и начал появляться заваленный край, но бугор в центре упорно не хотел сполировываться. Он был достаточно высок, его продольная аберрация достигала 4 мм. Было принято решение применить малый полировальник диаметром 2/3 R. И через 15 мин. можно было видеть хороший профиль сферического зеркала (рис. 18).

[олег]

отполированное зеркало.

[олег]

Пароболизация. Процесс вплотную дошел до параболизации. Для порядка приведу немного теории и расчет параметров параболоида.

Бесконечно удаленная звезда фокусируется в фокусе параболического зеркала в виде точки. Но при испытании из центра кривизны изображение искусственной звезды разлагается сферической аберрацией. Центральная зона параболического зеркала имеет большую кривизну, чем периферия. Это выглядит как яма в центре и заваленный край относительно сферы. В процессе параболизации сферическая аберрация будет увеличиваться  пока не  достигнет расчетных значений. Центры кривизны центра и края на оптической оси отстоят друг от друга на величину х, называемую максимальной продольной аберрацией. Для параболоида:
       х=r2/2R            (2), где, r2 –квадрат радиуса зоны, в мм ( от 0 до 150мм), R --радиус кривизны зеркала, мм.

Максимальная продольная аберрация для D=300mm (r=150) R=2600мм,  составляет х=4,00мм.

Используя метод равных аберраций разобьем х на равные интервалы с шагом 0,5мм и, задавшись х определим, соответствующие радиусы зон r.
х, мм           r, мм            dх, мм
0,5               51             +-0,15
1,0               72                0,11
1,5               89                0,08
2,0              102               0,08
2,5              116               0,07
3,0              125               0,06
3,5              135               0,06
4,0              145               0,05  ,  где dх -- допустимая погрешность.

Для получения точности поверхности 1/16 лямбда, необходимо измерять х с точностью 0,05мм, r с точностью 1мм и R c точностью 30мм.

Для получения параболы использовался метод, описанный в книге Д.А.Наумова «Изготовление оптики для любительских телескопов-рефлекторов и ее контроль» (стр.126). В основе этого метода лежит свойство малого полировальника (диаметром 0.7D  с отформованной звездой) активно сполировывать центральную часть и внешнюю зону именно в тех пропорциях, которые наиболее близки к параболической форме. Используя центральный штрих и значительный вынос (от центра на 0.5-0.7R) сферическая поверхность плавно трансформируется в параболическую, и когда максимальная аберрация (разность радиусов кривизны центральной и краевой зоны) приблизится к расчетной, то промежуточные зоны даже не требуют корректировки.  Это метод заслуживает  большого доверия, он очень быстро и с первого раза позволил добиться параболической поверхности на 165мм 1:3,5 и на 300мм 1:4,5 зеркалах.

Ретушь сферической поверхности очень деликатное дело, здесь главное не торопиться. Сеансы полировки должны быть короткие ок. 5 мин. Зеркало в воде не моем, а вытираем сухой тряпкой и даем время 10-15 мин. для выравнивания температуры. Я работал в х/б перчатках, чтобы тепло от рук не передавалось на стекло. Теневой прибор и зеркало во время испытаний должны быть расположены вдали от источников тепла.  Даже сквозняк от открытой форточки настолько размывал теневые картины, что совершенно невозможно было вести наблюдения. Любопытно было наблюдать за появлением бугра на поверхности после того как приложишь большой палец и подержишь его полминуты. Все это говорит о высочайшей чувствительности теневого метода.

Выключив свет и удобно расположившись у теневого прибора, погружаешься в необыкновенную атмосферу теней, приходит ощущение, что проникаешь в микромир.

Слегка надавливая на основание прибора заставляешь нож перемещаться на доли миллиметра и видишь как тень расплывается по зеркалу, проявляя разные участки в разных ракурсах.Ощущаешь себя мастером-оптиком 19 века и для полной гармонии не хватает только керосиновой лампы с отверстием в фольге, которую использовал Чикин. Иногда удается добиться того, что тень начинает одновременно двигаться навстречу самой себе, что говорит о том, что поймана самая вершина светового конуса с высокой точностью. В этот момент на отсчетном устройстве устанавливаем  ноль и начинаем промеры продольной аберрации с этого места.

Зеркало D=165мм 1:3,5 имеет настолько выраженные теневые картины, и очень качественные их фотографии, что я продолжу описание получения параболы именно на его примере.

Рассчитаем максимальную продольную аберрацию х. Разобьем величину х на пять-шесть равных интервалов. Например,    от 0 до 0,5мм х1=0,5мм; от 0,5 до 1,0мм х2=1,0 мм  и т.д.  х3=1,5мм; х4=2,0мм; х5=2,5мм; х6=3,0мм. Из формулы (2) выражаем r, подставляем х1-х6 и получаем соответствующие радиусы зон r на зеркале, для которых данная аберрация является вершиной светового конуса                                                                                                                                                                                    r=\/х/2R  ,                  (3)

Нож Фуко, находясь в точках х1-х6, должен быть в фокусе зон r1-r6, тогда поверхность можно считать параболической. Во всех нижеприведенных фото нож вводился в световой пучок справа налево. Движение тени и ножа в одну сторону означает предфокальное его положение, а движение  тени навстречу ножу – зафокальное.

На рис.20 видно, как ровная прежде граница тени, начинает размываться в пределах зоны с радиусом r1. Это значит, что нож расположен очень близко к фокусу этой части зеркала.

[олег]

Далее под фокусом мы будем понимать центр кривизны соответствующей части зеркала (зоны). Точку фокуса центральной зоны 1 можно взять за начало отсчета. Продолжая перемещать нож дальше по оптической оси, удаляемся от зеркала на величину первого шага х2 и оказываемся в фокусе зоны 2 (рис.21). Теперь уже отчетливо видно, как тень в зоне 1 развернулась и движется навстречу ножу, указывая на зафокальное положение.

Теневая картина не застывшее изображение, а динамичная игра теней, то явно открывающаяся, то ускользающая от глаза. Полюбовавшись некоторое время, глаз уже начинает вылавливать тонкие очертания вершины края зоны, где  наблюдается зафокальное поле. И вскоре уже без труда обнаруживается серая граница,  обозначающая точный фокус. Эту границу в классике жанра можно назвать «вершиной бублика».

[олег]

Передвинувшись на шаг дальше от зеркала, на отметку х3, теневая картина становится еще более выразительной  (рис.22). Уже хорошо просматривается очертание зоны 3, ее граница становится резче. Просматривая плавный переход от зафокальной зоны к предфокальной, зрительное воображение  выбирает где-то в полутени условную границу, мысленно замыкая ее по кругу.

То, что идентифицировать границу тени на внутренних зонах сложно, на самом деле хорошо, т.к. параболическая поверхность не имеет резких перекосов и вначале пути мало отличается от сферы.

[олег]

Рис.23 демонстрирует самую критичную зону параболического зеркала  0,7D. Этот вид чаще всего представлен на фото в книгах и является излюбленной фотографией на форумах. Нагляднее всего форму зеркала можно представить, если подумать о источнике света, светящего слева, а рельеф поверхности таков, что за высотными перепадами появляются тени. И это сравнение близко к истине. Мы видим яму в центе и заваленный край, причем характеристики уклонений соответствуют параболоиду.

Если для зон до 0.7D ошибки определения границ по  расплывчатым полутеням не представляют большой опасности, то для внешних зон (более 0,7D) допуски резко сужаются. Приближаясь к расчетной аберрации, полировать нужно аккуратнее, сокращать сеансы полировки и более тщательно оценивать результат. Пристально следя за внешними зонами важно  не допустить перепараболизации. Это может резко ухудшить качество оптики. Иногда даже оправдана легкая недопараболизация. У Чикина упоминается о том, что параболическое зеркало, охлаждаясь ночью имеет склонность к дальнейшему заваливанию края.

На рис.24-25 показаны теневые картины внешних зон  r5-r6.

[олег]

В случае с 300мм зеркалом принципиальный отличий нет, но кое-что все же отличается. Параболизация прошла быстро, всего за два сеанса, общей продолжительностью 15 мин.По сравнению с предыдущим, 300мм зеркало, из-за большого фокусного расстояния  находилось намного дальше, и поэтому, границы теней имели низкое разрешение. Порой сложно было установить на какой именно метке располагалась граница зоны. В большой массе стекла были уже заметные тепловые деформации и они вносили свой вклад. Оценка промежуточных зон велась приблизительно. Более-менее точно была измерена только общая продольная аберрация, а о промежуточных зонах можно только сказать, что они не имеют резких переломов, аберрация изменяется равномерно и общая поверхность похожа на параболическую.

После тщательных измерений вырисовывается неплохая картина. За начало отсчета принята зона 0.7D, и начиная от нее, к краю идет равномерная  парабола, перепараболизации нет. Следуя от зоны 0.7D к центру видно, что начинается постепенное уклонение к сфере и центральная часть диаметром 150мм сферическая.

[олег]

                                  5.ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФЕРМЫ  И  ЭЛЕМЕНТОВ МОНИРОВКИ.     
После завершения изготовления главного зеркала сильнейшим желанием становится скорое первое наблюдение в него. Волнение перед первым светом можно охладить тем, что если теневые картины равномерные и максимальная аберрация не сильно отличаются от расчетной, то можно с уверенностью ждать хороших изображений в готовый телескоп.

Вторым важным элементом рефлектора системы Ньютона является плоское зеркало, предназначенное для  выноса изображения за пределы трубы. Я использовал готовое плоское зеркало с внешним отражающим покрытием от какого-то проекционного прибора, его размер был 90Х110мм. Устроил ему такой тест. Расположив его перед объективом зрительной трубы, ночью разглядывал звезды, изменяя угол отражения. Особое внимание уделял появлению астигматизма. Он начинал появляться при очень косом угле отражения, более 70 град., а при углах отражения 45 град. никаких признаков искажений не наблюдалось. Звезды выглядели естественно, поэтому я счел его вполне пригодным для большого телескопа. Позже, в готовом телескопе, я ставил на место плоского зеркала фотосветофильтр и  наблюдал хорошие изображения Луны.

Первым делом, перед началом сборки трубы, был начерчен хороший чертеж оптической схемы в подходящем масштабе (1:10).

Долгое  время я колебался с выбором трубы. Бумажно-клеевые трубы казались громоздкими и тяжелыми в изготовлении. Фермы тоже особенной жесткости не внушали. И все же, рассматривая эпюру простейшей фермы, сопромат настаивал на ферме. Косые связи, соединяющие площадки крепления главного зеркала и верхнее кольцо окулярного узла нигде не работали на изгиб, любая нагрузка разлагалась только на сжатие и растяжение. Ферма, состоящая из восьми косых связей, должна иметь высокую жесткость, а сами связи могут быть выполнены из тонких профилей или алюминиевых трубок. Вопреки сопромату, чутье подсказывало, что такая конструкция будет хлипкой и потребует много местных усилений.

Взяв две фанерные панели   400Х400Х10 от старой мебели, я соединил их восемью косыми связями из Т-образного оцинкованного профиля. Все время сборки меня терзало сомнение в том, что будет ли эта конструкция отвечать минимальным требованиям  по жесткости, пока не был закручен последний саморез. И тут случилось чудо, ферма  как будто застыла и обрела необыкновенную  жесткость. Все сомнения рассеялись, сопромат восторжествовал над здравым смыслом! Руками, прикладывая значительные усилия на изгиб, никаких деформаций не наблюдалось, осталась только слабая реакция на кручение. Никаких затухающих колебаний от резких ударов тоже не ощущалось.

Дальнейшие рассуждения вели к тому, что раз имеется такая жесткая ферма, то оптические элементы можно расположить на этих панелях. Нет никакой необходимости в верхнем и нижнем коробе, которые так любят городить многие любители. В верхней панели можно прорезать входное отверстие диаметром 320мм и на нем же закрепить растяжки диагонального зеркала и окулярный узел. На нижней панели можно расположить главное зеркало на юстировочном столике (рис.26).

Поскольку внизу главное зеркало очень тяжелое  4,5кг, а верхняя часть очень легкая, то центр тяжести должен находиться не далеко от лицевой стороны главного зеркала. Поэтому, лыжи, которые крепятся прямо к нижней плите, будут наилучшим решением. Долгое время узел крепления лыж к нижней плите не давал покоя, стандартные решения не обеспечивали высокой жесткости, а она здесь нужна как нигде больше. Но вскоре было найдено простое и качественное решение—поперечный вставыш у свободного конца лыж, расположенный под  90 град. к опорной плите погасит все возможные деформации. Причем сами лыжи к нижней плите крепятся предельно просто, тремя саморезами в торец с каждой стороны. Реализация этих рассуждений в общем виде представлена на рис.27. Дальше продолжу  описание отдельных элементов.

[олег]

Элементы крепления главного зеркала.

Главное зеркало расположено на треугольном юстировочном столике из  10мм фанеры, имеет три точки опоры и крепится к нему  тремя захватами из оцинкованной жести. Юстировочный столик опирается в центре на головку самореза, который закручен в нижнюю плиту. На концах треугольника есть отверстия, через которые самрезы закручиваются в тело нижней плиты и натягивают юстировочный столик. Таким образом, юстировочный столик, с располженным на нем главным зеркалом, жестко закреплен и путем откручивания/закручивания саморезов может наклоняться относительно оптической оси (рис.28).

[олег]

Кроме простоты имеется еще одно  важное достоинство – возможность юстировать главное зеркало, с помощью длинной отвертки, глядя в окуляр! Это очень удобно.

Диагональное зеркало и окулярный узел.

Вооружившись простым слесарным инструментом и имея немного воображения можно сотворить много оригинальных вещей. Главным руководящим фактором у меня была простота и надежность. Из простоты было принято решение изготовить паук на трех растяжках. Растяжки были вырезаны из оцинкованного железа. На что следует обратить внимание, так это на то, что они должны иметь треугольную  форму. Такая форма обеспечивает наибольшую жесткость всего паука. Сам центральный  стакан был раскроен на бумаге и вырезан из жести в треугольном виде для лучшей передачи натяжения от растяжек.

В качестве окулярного узла был оригинально приспособлен  фокусировочный узел от того же старого фотоувеличителя. Шаг резьбы у него крупный, и это удобно для перфокусирвоки на разные окуляры (рис.29). После сборки и установки оптических элементов и искателя можно точно найти центр тяжести фермы, подвесив ее за одну из связей. Определив место центра тяжести, с помощью чертежа найден  радиус дуги лыж.

[олег]

Поворотная платформа.

Часть монтировки, которая позволяет поворачивать телескоп по азимуту выпилина из плит ДСП таким образом, что опоры лыж описывают окружность, которая вписана в равносторонний треугольник основания. Этим достигается наибольшая устойчивость телескопа в целом. Лыжи опираются на четыре подшипника, которые закреплены на поворотной части основания. Их свободу вращения можно регулировать, затягивая прижимной саморез, и тем самым можно подгонять подъем по высоте под желаемое трение. Между поворотной частью и основанием я вложил две граммпластинки и смазал их не замерзающей смазкой (маслом для амортизаторов). Телескоп по всем осям поворачивается плавно, без рывков и возвратных движений (рис.30).

Снаружи ферма обшита черным материалом, который натягивается и удерживается с помощью канцелярских кнопок, а поверх его идет слой полиэтилена, предохраняющий черный материал от намокания. Откинув обшивку у нижнего края, открывается доступ к главному зеркалу для юстировки  и для того, чтобы открыть/закрыть откидную крышку зеркала, которая защищает его от пыли (рис.31).

[олег]

                                                                    6.ПЕРВЫЙ СВЕТ.
Работы по шлифовке зеркала проводились с сентября по ноябрь 2009г в городской квартире, а изготовление телескопа велось на даче в апреле 2010г. За неделю собрав  ферму, еще не изготовив поворотной платформы, первым объектом для наблюдения стало Солнце. Имея 300мм апертуру без отражающего покрытия можно было свободно смотреть на Солнце используя слабый газосварочный светофильтр. Как раз в ту пору на фоне спокойного Солнца появилась крупная группа пятен, которая росла изо дня в день. Было прекрасно видно структуру полутеней, волокна в них и обширные факельные площадки, которые на удивление просматривались не только вблизи солнечного лимба, но и вокруг пятен, находившихся  в центре. Такого высококачественного изображения не давал ни один инструмент, использующийся мной прежде.

В те же дни на вечернем небе стояла Луна в фазе 0,5. Отсутствие слепящего действия лунного света создавало хороший комфорт для глаз. Наивысший контраст теней вокруг кратера Эратосфен, Прямая Стена, холмы в морях с отчетливыми тенями, мелкие ущелье в отрогах крупных кратеров, горные массивы и лучевые системы – все это просто вводило в восторг (рис.32).

И даже планета Марс, которая находилась в противостоянии, оказалась доступна, в виде маленького  красного диска, на котором была видна полярная шапка.

Безупречное изображение на  увеличении 50Х превзошло все ожидания. Но при увеличении 100Х восторг уже приубавился, более-менее сносное изображение лунной поверхности удавалось поймать в очень малом пространстве. По всему полю размером 10 минут наблюдалось легкое размытие вызванное аберрацией кома и недостаточно качественной  юстировкой. Уже тогда появилось ощущение, что этот телескоп будет раскрываться по полной только на звездных полях и туманных объектах. Турбулентность тоже сильнейшим образом портила изображение.

[олег]

                                                        7.СЕРЕБРЕНИЕ ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА.
Завершающая часть постройки телескопа – нанесение отражающего покрытия на зеркала. Разумнее всего покрыть зеркало, распыляя алюминий под высоким вакуумом. Многие оптические мастерские предлагают такую услугу. Современное отражающее покрытие более долговечное и не уступает серебряному по коэффициенту отражения. Но мне с детства хотелось именно посеребрить зеркало будущего телескопа. Воспроизводя технологию кустарного серебрения астрономических зеркал, погружаешься эпоху первых телескопостроителей. Открытие способа химического осаждения серебра в IX веке произвело прорыв в телескопостроении и повлекло за собой важнейшие астрономические открытия. Теперь зеркала не серебрят уже 50 лет.

Процесс серебрения и сложен и прост одновременно. Сложность в том, что не просто найти химически чистые азотную кислоту и щелочь. Серебро подойдет любое от колец и монет до электротехнических контактов. А простота в том, что само серебрение можно провести в домашних условиях и его легко регулярно воспроизводить.

Описание процесса разложено на несколько этапов:
1. Изготовление специальной емкости, в которую заливается серебрящий раствор и погружается зеркало лицевой стороной вниз.
2. Приготовление азотнокислого серебра, растворяя серебро в азотной кислоте.
3. Приготовление серебрящего раствора, смешивая растворы азотнокислого серебра, нашатырного спирта  и щелочи.
4.Серебрение. Добавив к серебрящему раствору глюкозу, металлическое серебро выпадает в осадок, покрывая блеском стенки емкости и лицевую поверхность зеркала.
5. Сухая полировка позволяет снять мутные  налеты, если получилось небольшое пересербрение.

Первое серебрение  проходило по немного другой технологии. Зеркало располагалось лицевой поверхностью вверх, а вокруг него был бортик, и оно было дном емкости.

Первая попытка серебрения оказалась неудачной, серебряный слой  получился матовый и совершенно не поддавался полировке. После серебрения отработанный  раствор я слил в емкость с комплектом зеркал от 60-мм рефлектора системы Грегори. Каково же было удивление, когда, вынув их, я увидел чистый зеркальный  блеск!
                                              Рис.33.  Первая неудача, комплект зеркал Грегори.
Эти зеркала серебрились рабочей поверхностью вниз, что заставило пересмотреть весь метод серебрения. Мне всегда хотелось расположить зеркало  во время серебрения именно лицевой стороной вниз, как это советуют в специальных руководствах.  В процессе химической реакции появляются  черные хлопья похожие на сажу, они оседают и прилипают к образующемуся серебряному слою. Но такой метод требует более чем в два раза больший объем растворов, а это перерасход серебра, как мне казалось раньше. Но перерасход из-за ошибок оказался еще больше. Поэтому решено было изготовить специальную емкость для серебрения главного зеркала в положении лицевой стороной вниз.

Другая проблема заключалась в том, что реакцию серебрения нужно прервать в нужный момент, то есть необходимо некоторое определенное время проявления. Слишком ранняя остановка процесса вызывает уменьшение отражающих свойств, покрытие будет полупрозрачное. Слишком длительное выдерживание зеркала в растворе приводит к появлению мутных разводов, серебряный слой станет настолько толстый, что начнется кристаллизация и отражение будет слабым, матовым и его уже невозможно  будет довести сухой полировкой до полного блеска.

Дело осложняется еще тем, что процесс идет неравномерно. В первые минуты серебрение никак себя внешне не проявляет. Потом стекло становится тонированным, потом коричневым с намеком блеска, а потом, вдруг, раз и готово. Пока приглядываешься и сомневаешься, а тем временем получается пересеребрение.

На скорость течения реакции также оказывает сильное влияние температура. Замечено, что при +15 град реакция почти не идет, а при  +20 град идет очень быстро. Температура зеркала должна быть на пару градусов выше температуры растворов. Учитывая все эти тонкости, перед основным серебрением, было проведено пробное серебрение на не больших образцах стекла в маленькой емкости. Лучшие результаты были получены на тех образцах,серебрение на которых было остановлено при первых признаках заметного желтоватого блеска (рис.34). Сразу после сушки можно было сполировать легкий мутный налет с помощью замши с не большим количеством крокуса, получая белый чистый блеск.

[олег]

                                                1.Изготвление специальной емкости.
Основанием емкости  для серебрения послужил круг из 10мм фанеры, на который был приклеен слой полиэтилена. Из пласиковых бутылок винтообразно были вырезаны полоски шириной 40мм и с помощью герметика приклеены к торцу, образовав бортик высотой 30мм. Снаружи бортик стянут хомутом. Зеркало погружалось в емкость с небольшим наклоном, чтобы была возможность выгнать воздушный пузырь. Зеркало висело на проволоке пропущенной снизу и связанной петлей. Проволока обязательно должна быть в виниловой изоляции, чтобы избежать контакта металла с кислотно-щелочным раствором.

Весь проволочный бандаж должен быть очень надежный и удобный, чтобы иметь возможность безопасно и быстро извлекать зеркало для осмотра. Зеркало опиралось на две точки опоры, два кусочка стекла были приклеены герметиком к дну у края диаметрально противоположно. Это позволяло покачивать зеркало и более энергично перемешивать раствор. Необходимый объем раствора составил 300мл.

Рис.35. емкость, зеркало в емкости

[олег]

                                                   2.приготовление азотнокислого серебра.
Исходным материалом был слиток серебряных электрических контактов. Кусочек серебра растворяем в концентрированной азотной кислоте. При обычной температуре растворение почти не идет, для ускорения процесса кислоту нужно подогреть. На открытом воздухе была установлена электроплита, на небольшом расстоянии от спирали лист металла, а на нем фарфоровая чашка с кислотой и серебром. Наблюдение за процессом проводилось из помещения, и от туда же происходила регулировка нагрева методом периодического отключения из сети. Нагревать кислоту нужно постепенно и в самом начале процесса. Когда появится коричневый дым, то нагревание можно отключить, дальше растворение идет уже спонтанно. Можно наблюдать, как все пузырится, распространяется  едкий коричневый дым окиси азота и образуется белая соль азотнокислого серебра. Через 10 минут выделение окиси азота прекращается,--это значит, что металлическое серебро полностью растворилось. Снова включаем электроплиту и расплавляем снегообразную массу, примесь при этом выпадает в осадок.  Едкого дыма уже не выделяется, можно подойти и видеть прозрачную  жидкость расплавленного  азотнокислого серебра и черные зерна окиси меди, они в воде не растворяется и их можно отделить  потом фильтрованием. Остужаем расплав и пластмассовой лопаткой осторожно соскребаем сухую соль азотнокислого серебра.

Приятно удивила химическая чистота электрических контактов, примеси почти нет.  Отношение веса серебро/азотнокислое серебро было точно 1/ 1,5. В отличие от монет и колец применяемых в первых опытах, где соотношение доходило до 1/1.1.  Много примеси меди. «Не все то золото, что блестит»!

Рис.36.  серебро, выделение окиси азота «лисий хвост», азотнокислое  серебро, рабочий стол.