Эта книга предназначена для любителей астрономии, решивших построить себе достаточно мощный телескоп. Может быть, с точки зрения начинающих любителей телескопостроения, она несколько перегружена подробностями. Это происходит от того, что автор стремился предусмотреть различные неожиданности, подстерегающие любителя на пути изготовления телескопа. С другой стороны, зная, как эти подробности отпугивают начинающих, еще плохо ориентирующихся в технологии изготовления оптических деталей, автор сознательно избегал описания огромного разнообразия методов шлифовки, полировки и испытаний астрономической оптики, разработанных в последнее время и приспособленных к условиям любителей. Вместо этого он пытался отобрать лишь то, что совершенно явно доступно любителю. При этом автор стремился не повторять прекрасную, но, увы, постепенно стареющую книгу М. С. Навашина "'Tелеcкоп астронома-любителя". Читатель, который найдет технологию, описанную в настоящей книге, неприемлемой для себя, сможет обратиться к книге М. С. Навашина, которая в последние годы переиздавалась несколько раз.
Постараться обойтись минимумом математики - это вторая задача автора. Мы построим сравнительно простой телескоп и поэтому математики и вообще теории телескопа будет ровно столько, сколько нужно для того, чтобы действовать осознанно, и только. Автор полагает, что теория телескопа должна быть изложена и понята "на пальцах", и поэтому в книге описывается много опытов и приводятся рисунки, которые поясняют действие телескопа и его отдельных узлов.
Все, о чем рассказывается в книге, многократно проверено не только самим автором, но и школьниками и взрослыми -- членами Новосибирского клуба любительского телескопостроения им. Д, Д. Максутова. Чаще же всего описаны методы, применяемые уже на протяжении десятилетий, но по различным причинам не включенные в книгу М. С. Навашина и в многочисленные руководства, рассеянные по периодическим изданиям.
Первые две части книги посвящены изготовлению оптических и механических деталей телескопа, третья часть--постройке некоторых специальных телескопов и инструментов, которые могут значительно расширить, наблюдательные возможности любителя и стать прекрасной базой для обсерватории коллектива любителей.
Автор выражает глубокую благодарность канд. физ.-мат. наук Н. Н. Михельсону, старшему научному сотруднику А. С. Фомину, канд. физ.-мат. наук Г. С. Хромову, а также М. М. Шемякину и Г. С. Шуваеву за ряд ценных замечаний и предложений, сделанных при прочтении рукописи книги.
Л. Л. Сикорук ВВЕДЕНИЕ
Когда Галилео Галилей приступил к постройке своего первого телескопа, едва ли он отдавал себе отчет в том, что, еще не сделав своих великих астрономических открытий, он уже открыл эру любительского телескопостроения. Не зная тщательно охраняемых профессиональных секретов изготовления зрительных труб, незадолго до этого изобретенных в Голландии, Галилей со свойственным ему энтузиазмом и энергией
Галилео Галилей (1564--1642) с одним из своих телескопов.
взялся за решение этой задачи. (Позже любители не раз будут решать задачи, перед которыми профессионалы останавливались в раздумье.) Таким образом, эра любительского телескопостроения начинает отсчет с конца 1609 г.
Еще одно важное событие в истории любительского телескопостроения произошло в 1668 г, когда физик-теоретик по профессии, Президент Лондонского Королевского общества по должности, сэр Исаак Ньютон собственноручно построил зеркальный телескоп. Если оптическую схему своего телескопа он предложил, как мы теперь сказали бы, в рамках своих обязанностей, то в остальном Ньютон был безусловно любителем. Он не только удовлетворил свое собственное любопытство, но, что гораздо важнее, подарил любителям всего мира самый популярный у них теперь телескоп. Это обстоятельство роднит его с лучшими представителями любительского телескопостроения всех времен.
Нас поражает беспримерный подвиг музыканта Уильяма Гершеля, отшлифовавшего за свою долгую жизнь больше ста зеркал и придумавшего новый
тип телескопа, увы, не подозревая о том, что этот телескоп уже был предложен сначала Н. Цукки, а не сколько позже М. Ломоносовым. Пивовар У. Лассель лорд Росс, полярный исследователь и художник Р. Портер, художник и журналист А. А. Чикин, инженер Л. Коумон н многие другие, будучи любителями, достигли таких вершин, что стали каждый для своего времени ведущими специалистами.
Следуя этим примерам, читатель может смело приступать к делу, не сомневаясь в благополучном исходе. Надо только сказать, что прежде чем заняться изготовлением телескопа, необходимо прочитать раздел "Немного о технике безопасности" в Приложениях.
Рис. 1. Телескоп системы Ньютона. 1 -- главное зеркало, 2 -- диагональное зеркало, 3 -- окуляр. f' -- главный фокус зеркала, f1 -- "ньютоновский" фокус телескопа, совпадающий с передним фокусом окуляра.
Нам предстоит построить зеркальный телескоп, или телескоп-рефлектор системы Ньютона. На рис. 1 приведена оптическая схема этого телескопа. Параллельный пучок света от звезды падает на вогнутое главное зеркало телескопа 1. Отразившись от него, пучок света становится сходящимся и собирается в точке f/, которая называется фокусом зеркала. Здесь образуется изображение звезды. Пучки света от других звезд собираются каждый в своем фокусе, и эти изображения располагаются на фокальной поверхности.
Для удобства наблюдений недалеко от фокальной поверхности установлено плоское вспомогательное зеркало 2, которое отклоняет пучок света в сторону, где помещают окуляр 3, в который рассматривают изображение.
Почему мы будем строить зеркальный телескоп, а не линзовый? Во-первых, потому, что зеркало дает изображения лучшего качества, чем линзовый объектив. Во-вторых, для того чтобы построить линзовый объектив, надо отшлифовать, четыре поверхности двух линз из двух строго определенных сортов стекла, тогда как для изготовления зеркала достаточно отшлифовать одну поверхность. В-третьих, для линз требуется стекло повышенной оптической однородности, а для зеркала оно может быть и с пузырьками и свилями и некоторыми другими дефектами, совершенно недопустимыми в случае линзы. В-четвертых, для контроля формы поверхности зеркала есть простой и надежный способ, позволяющий видеть ошибки поверхности около 0,01 мкм, а для линз такого способа нет. Итак, зеркало проще в изготовлении, оно дешевле и дает лучшие результаты, что же еще надо! 2. КАК МЫ БУДЕМ ДЕЙСТВОВАТЬ?
Прежде всего, изготовим вогнутое зеркало, которое выполняет роль объектива телескопа. Для того чтобы придать зеркалу необходимую кривизну, мы воспользуемся шлифовальником в виде металлического кольца, отрезанного от куска толстостенной водопроводной трубы. Кроме того, потребуется грубый наждачный порошок, которым будет вестись обдирка -- придание заготовке нужной формы. Двигая с давлением шлифовальник по стеклянной заготовке, на которую насыпан
Мокрый порошок, мы одновременно поворачиваем столик, на котором укреплена заготовка зеркала. Это нужно для того, чтобы шлифовка шла по всем направлениям равномерно. Через час-полтора мы достигнем того, что на зеркале появится нужное нам углубление, и теперь наша задача -- убрать грубые неровности, оставшиеся на зеркале после обдирки. Эту операцию мы выполним с помощью пластмассового шлифовальника и тонкого микропорошка.
Переходя постепенно от относительно грубых микропорошков ко все более тонким, мы подготовим зеркало к полировке.
Полировку ведут с помощью тончайшего порошка-- крокуса или, лучше, полирита. Теперь шлифовальник должен быть покрыт слоем полировочной смолы, которая состоит из обычного битума с почти равным количеством канифоли. Полировочная смола относительно текуча, и это поможет воздействовать на форму полировальника так, что сравнительно грубая поверхность в начале полировки к концу этого процесса станет совершенно точной сферой.
Рис. 2. Простейший теневой прибор, которым можно пользоваться на первых порах. (Кадр из фильма "Телескопы".)
Для того чтобы испытывать форму зеркала, нам придется построить несложное устройство -- теневой прибор (рис. 2), этот прибор в простейшем виде состоит из батарейки для карманного фонаря, лампочки и лезвия бритвы, но позволяет видеть ошибки на поверхности зеркала в 0,05 мкм, чаще же удается получить зеркало с еще большей точностью, хотя качество изображения наблюдаемых объектов от этого уже и не улучшится. Дело в том, что существует определенный предел точности, после которого изображение остается одинаково совершенным. Этот предел равен для зеркала 1/8 длины волны света. Для средней части солнечного спектра, к которой более всего чувствителен человеческий глаз, длина волны равна 0,00056 мм или 0,56 мкм. 1/8 часть этой величины составит 0,07 мкм, Если ошибки ("ямы", "бугры") на поверхности зеркала превышают эту величину, они портят изображение, если не превышают, изображение становится идеальным, и дальнейшее совершенствование зеркала не улучшит качества изображения. Мы добьемся того, чтобы наше зеркало стало идеальным.
Рис. 3. Телескоп системы Ньютона на "чикинской доске". Бленда, надеваемая на верхний, окулярный конец телескопа, стоит на полу.
Телескоп системы Ньютона (рис. 3), который предстоит нам построить, кроме главного вогнутого зеркала, имеет дополнительное вспомогательное зеркало (2 на рис. 1) или призму. Если мы не сможем найти подходящее оптически точное зеркало или призму, то это зеркало придется также изготовить самим. Это не сложнее, чем изготовить главное зеркало. В том случае, если не удастся подобрать готовый окуляр, а лучше несколько окуляров различной силы, придется сделать и несколько мелких линз.
Все дальнейшее -- токарные, слесарные работы, работа с папье-маше и т. п.-- не вызовет принципиальных трудностей. 3. КАК РАБОТАЕТ ТЕЛЕСКОП?
Возьмем положительную (увеличивающую) линзу и попытаемся с ее помощью получить изображение большого светлого предмета, например окна днем. Для этого будем приближать или удалять линзу от противоположной стены, пока на ней не появится резкое перевернутое "вверх ногами" изображение окна. Возьмем вторую линзу с другим увеличением и, построив с ее помощью изображение того же окна, обратим внимание на то, что, во-первых, расстояние между линзами и стеной различно. Во-вторых, та линза, которая расположена дальше от стены, дает изображение большего размера.
Расстояние от линзы до стены, когда на ней видно резкое изображение достаточно удаленного предмета (для этого лучше всего использовать Солнце), называется фокусным расстоянием линзы. Мы теперь знаем,
Рис. 4. Схема телескопа-рефрактора.
1 -- объектив, 2 -- окуляр, 3 -- матовое стекло, которое в реальных телескопах отсутствует.
что для того, чтобы изображение предмета, построенного линзой, было большим, надо взять линзу с большим фокусным расстоянием (длиннофокусную).
Теперь возьмем короткофокусную линзу. Определим ее фокусное расстояние и попробуем рассматривать в нее какие-нибудь предметы, расположив саму линзу как можно ближе к глазу. Если у нас есть несколько короткофокусных линз, то мы обратим внимание на то, что большее увеличение дает та, у которой фокусное расстояние меньше.
Спроецируем с помощью длиннофокусной линзы изображение объекта на кусочек матового стекла или кальки и добьемся резкости. Теперь с противоположной от линзы стороны станем рассматривать изображение на кальке с помощью сильной, короткофокусной линзы (рис. 4). Мы увидим увеличенное изображение, которому будут мешать крапинки на кальке или стекле. Уберем кусок кальки, не меняя расстояние между линзами. Мы ясно увидим наш предмет. Его изображение теперь располагается не на кальке, а в воздухе, и мы его рассматриваем с помощью второй короткофокусной линзы, которая выполняет роль лупы. Первая длиннофокусная линза -- это объектив телескопа, вторая линза, лупа, называется окуляром.
В качестве объектива можно воспользоваться очковым стеклом в +1 -- +2 диоптрии, насадочной линзой к фотоаппарату или, если повезет, объективом от старой подзорной трубы, теодолита и т. п. В качестве окуляра можно использовать лупу, объектив от фотоаппарата, объектив от микроскопа, окуляр от микроскопа или зрительной трубы.
4. КАК ТОЧНО ОПРЕДЕЛИТЬ ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ ОБЪЕКТИВА И ОКУЛЯРА?
Если мы используем очковое стекло или насадочную линзу к фотоаппарату, можно легко перевести оптическую силу, выражаемую в диоптриях, в фокусное расстояние линзы. Для этого надо 1000 мм разделить на оптическую силу в диоптриях. Например, оптическая сила линзы равна +2 диоптриям. Делим 1000 на 2, получаем 500 мм. Это и есть фокусное расстояние линзы.
В тех случаях, когда оптическая сила линзы неизвестна, ее фокусное расстояние определим, измеряя расстояние от линзы до изображения предмета на бумаге. Отметим еще раз, что фокусное расстояние длиннофокусной линзы можно определить только по очень удаленным предметам.
Если в качестве окуляра применена одиночная линза, ее фокусное расстояние мы определим подобно тому, как определяли его у объектива. Чаще, однако, приходится использовать сложную систему линз: фотообъектив, окуляр микроскопа и т. п., у которых фокусное расстояние отмеряется от так называемых главных плоскостей (рис. 5), положение которых мы не знаем. Воспользуемся тем, что фокусное расстояние линзы или системы линз пропорционально масштабу изображения, даваемому линзой. Станем с окуляров у стены против окна. Изображение окна, построенное окуляром, спроецируем на миллиметровку или на лист из тетради в клеточку. Хорошо сфокусируем изображение и заметим ширину b изображения окна на миллиметровке. Теперь измерим ширину В настоящего окна и расстояние до окна от окуляра (рис. 6). По формуле
можно определить фокусное расстояние f ` окуляра
Рис. 5. Преломление луча на линзе в прямом (слева направо) и в обратном ходе.
Если упавший и вышедший из линзы лучи продолжить до взаимного пересечения, они пересекутся на одной из главных плоскостей (H и H') линзы. Фокусные расстояния измеряются от второй по ходу луча плоскости до точки фокуса. Оба фокусных расстояния любой линзы или системы равны между собой.
(здесь L -- расстояние от окуляра до окна). Хотя объект сейчас не в бесконечности, мы можем использовать это значение фокусного расстояния, так как для короткофокусных линз расстояние в несколько метров можно считать бесконечным. Во всяком случае, если расстояние до окна 4--6 метров, ошибкой в определении фокусного расстояния окуляра можно пренебречь.
Часто увеличение окуляра обозначено на его оправе. Само по себе оно нас не интересует, но по нему можно определить фокусное расстояние. Для этого надо разделить 250 мм (расстояние ясного видения) на увеличение окуляра. Например, при увеличении, равном 12,5х, фокусное расстояние равно 20 мм. В тех случаях, когда мы имеем дело с объективом от микроскопа, можно определить фокусное расстояние по увеличению объектива, которое указывается на оправе. Для этого надо 160 мм разделить на увеличение
Рис. 6. Определение фокусного расстояния сложной оптической системы.
микрообъектива. Например, увеличение микрообъектива равно 20 раз, значит, его фокусное расстояние 8 мм *).
*) 160 мм--это длина трубки микроскопа. Эта длина характерна для большинства микроскопов. Однако попадаются микроскопы и с другой длиной трубки, например 190 мм. В этом случае, чтобы узнать фокусное расстояние, надо 190 делить на увеличение объектива. 5. ЧЕМУ РАВНО УВЕЛИЧЕНИЕ ТЕЛЕСКОПА?
Существует простая формула, по которой легко определить увеличение телескопа,
где f ' -- фокусное расстояние объектива. ф -- фокусное расстояние окуляра. Практически это значит, что чем больше фокусное расстояние объектива и чем меньше фокусное расстояние окуляра, тем больше увеличение телескопа.
Как выбрать увеличение телескопа? Конечно, каждый старается "выжать" из телескопа все, что тот может. На первый взгляд достаточно иметь объектив с большим фокусным расстоянием, а окуляр с крошечным, и мы получим какое угодно большое увеличение. На деле это не так. Линза нашего телескопа страдает различными недостатками -- аберрациями. Из-за своего несовершенства она вносит ошибки и искажения в изображение предметов. Лучше всего заметна так называемая хроматическая аберрация, которая приводит к тому, что изображения звезд окружены цветными ореолами, а изображение Луны -- радужной каймой. Этот недостаток можно уменьшить, если задиафрагмировать объектив. В случае очкового стекла с фокусным расстоянием 500 мм отверстие в картонном кружочке, который мы установим прямо перед объективом, должно иметь диаметр около 10 мм. Для объектива с фокусным расстоянием 1000 мм это отверстие можно увеличить до 45--20 мм. Можно также вести наблюдение через цветной светофильтр -- это помогает значительно уменьшить влияние хроматической аберрации.
Ну, а если наш объектив идеален с точки зрения аберраций? Тогда предельное увеличение телескопа равно диаметру объектива в миллиметрах, умноженному на 1,4. Объектив диаметром 40 мм может датъ увеличение около 60 раз, но не больше, так как при дальнейшем повышение увеличения телескопа становится заметной волновая природа света. В результате даже идеальный объектив покажет вместо звезды кружок, окруженный одним или двумя радужными колечками (рис. 7).
Рис. 7. Микрофотографии двух отверстий в фольге, сделанных иглой и освещенных сзади (а). Изображения этих отверстий, построенные идеальным объективом с довольно большого расстояния (б). Применение еще большего увеличения не покажет реальной формы отверстий.
Повышая увеличение телескопа, мы заметим, что при больших увеличениях поле зрения телескопа становится маленьким, а яркость изображения падает. Потому в тех случаях, когда требуется большое поле зрения или большая яркость, применяют маленькие увеличения. Минимальное увеличение телескопа определяется делением диаметра объектива на 6 (см. 34). Для того же 40-миллиметрового объектива минимальное увеличение равно примерно 7.
Телескоп с очковым стеклом вместо объектива позволит получить увеличение около 25--30 раз. С таким увеличением можно видеть пятна на Солнце *), горы на Луне, спутники Юпитера, кольцо Сатурна и т. д.
*) Смотреть в телескоп на Солнце можно только через темный светофильтр, вроде тех, что применяются при электросварке. Подробнее об этом см. 62.
Хотя телескоп из очкового стекла вместо объектива инструмент маломощный, все-таки хорошо его построить, чтобы на практике уяснить многие детали, которые непрерывно будут встречаться и в работе над телескопом-рефлектором. Для этого очковую линзу (объектив) и окуляр нужно вставить в две трубки подходящего диаметра. Трубки с трением должны входить одна в другую. Чтобы линзы не вываливались, их нужно поместить между вклеенными в трубки картонными кольцами. Расстояние между объективом и окуляром равно сумме их фокусных расстояний. Направляя телескоп на далекий предмет, слегка вдвигаем или выдвигаем окулярную трубку, добиваясь резкого изображения.
Чему равно поле зрения телескопа? Оно зависит от так называемого субъективного поля зрения окуляра и увеличения телескопа и равно
где W -- поле зрения телескопа в угловой мере, w -- субъективное поле зрения окуляра, Г -- увеличение телескопа.
Поле зрения окуляра можно грубо определить следующим образом. Направим окуляр на светлое небо, глядя одним глазом в окуляр, а вторым прямо на небо, совместим нижнюю границу поля зрения с горизонтом и грубо оценим, на сколько градусов поднимается над горизонтом верхняя граница. 6. ЧТО НУЖНО ПРИГОТОВИТЬ ДЛЯ ШЛИФОВКИ ЗЕРКАЛА?
Прежде всего потребуется стеклянная заготовка. Перечислим главные требования, которым она должна отвечать.
Стекло заготовки не должно иметь внутренних напряжений и должно быть хорошо отожжено. Поэтому совершенно не годятся закаленные стекла, которые довольно часто встречаются в виде круглых дисков. На этих дисках есть пометка "закалено" или "сталинит".
Второе условие заключается в том, чтобы заготовка имела достаточную толщину. Это нужно потому, что тонкая заготовка под действием собственного веса будет прогибатъся. Хотя величина прогиба и невелика, но если она превышает 0.00007 мм, это может сказаться на качестве изображения. В табл. 1 приводится минимальная толщина заготовок для зеркал различных диаметров.
Т а б л и ц а 1
|
Диаметр заготовки, мм |
80 |
110 |
140 |
160 |
180 |
200 |
250 |
300 |
|
Толщина заготовки, мм |
5 |
7 |
12 |
16 |
20 |
24 |
36 |
50 |
Толщина указана с учетом того, что в ходе шлифовки центр заготовки станет тоньше на 1-2 мм для зеркал диаметром до 180 мм и примерно на 3 мм для зеркал большего диаметра. Кроме того, числа табл. 1 справедливы только для случая, когда зеркало опирается на три равноудаленные точки, лежащие на окружности, радиус которой на 10% меньше радиуса заготовки.
В тех случаях, когда заготовка опирается (разгружается) на 6 или 9 точек, толщина заготовки может быть значительно меньше (табл. 2 -- разгрузка на 6 точек и табл. 3 -- разгрузка на 9 точек). Значения толщины здесь также несколько преувеличены.
Т а б л и ц а 2
|
Диаметр заготовки, мм |
140 |
160 |
180 |
200 |
250 |
300 |
|
Толщина заготовки, мм |
8 |
9 |
11 |
14 |
20 |
27 |
Т а б л и ц а 3
|
Диаметр заготовки, мм |
100 |
180 |
200 |
250 |
300 |
|
Толщина заготовки, мм |
8 |
10 |
11 |
17 |
23 |
Насколько точно нужно соблюдать приведенные величины толщин? Толщину можно уменьшить на 5-- 10%, а увеличить в 1,5--2 раза. Слишком толстые заготовки не стоит брать потому, что стекло имеет малую теплопроводность и при перепадах температуры воздуха температура внутренних и внешних частей зеркала выравнивается очень медленно. Это приводит к тому, что заготовка коробится и зеркало дает плохое изображение до тех пор, пока температуры не выровняются. Лучше всего выбрать специальную оптическую заготовку, иллюминатор судна, толстостенное окно вакуумной камеры или что-нибудь и этом роде.
Отличное зеркало можно сделать, использовав в качестве заготовки конденсорную линзу от фотоувеличителя или другого проекционного прибора. В этом случае углубление нужно будет вышлифовать на плоской стороне плоско-выпуклой линзы.
Можно вырезать круглую заготовку из куска витринного или другого достаточно толстого стекла. Делается это так. На ровную доску кладется лист стекла, который прижимается тремя деревянными планками. Эти планки устанавливаются в виде треугольника, концы которого свисают со стекла и могут быть прибиты к доске. В этот треугольник должно входить трубчатое сверло. Сверлом может служить консервная банка, кастрюля с незавальцованным краем и т. п. Сверло вставляется между планками так, чтобы оно могло легко вращаться в треугольнике, нo нe болтаться. (рис. 8). К дну банки прибивается палка - ручка, с помощью которой мы будем вращать сверло то в одну сторону, то в другую. Вырезание ведется с помощью грубого абразива (наждачного порошка). Он насьшается на стекло и обильно смачивается водой. Чтобы по мере углубления сверла в стекло, абразив мог
Рис. 8- Приспособление для вырезания круглой заготовки из толстого листа стекла.
1 -- cвеpло, 2 -- стекло.
проваливаться в канавку, в рабочей части сверла вырезаются треугольные прорези. Глубина прорезей должна немного превышать толщину стекла. Вокруг сверла на стекле надо сделать пластилиновый бортик, который будет удерживать воду и остатки раздробленного абразива.
Насыпав на стекло наждачный порошок и обильно смочив стекло водой, вставляем в треугольник сверло, сильно его прижимаем к стеклу и начинаем вращать. В начале вырезания будет слышен громкий хруст абразива, который постепенно стихнет. Это не означает, что нужно подсыпать нового абразива. На стекле возле сверла лежит еще много абразива, поэтому подольем воды, которая частично смоет абразив в канавку под сверло. Лишь после того, как подливание воды не будет приводить к возобновлению хруста, добавляем еще абразив. Через час-два заготовка толщиной 8--10 мм и диаметром около 120 мм будет вырезана.
Если толщина витринного стекла недостаточна, можно склеить канцелярским (силикатным) клеем (жидким стеклом) два диска одинакового диаметра. Оба диска обязательно должны быть вырезанными из одного куска стекла, чтобы можно было быть уверенным, что температурный коэффициент обоих кусков в точности одинаков. В противном случае при перепаде температур зеркало будет коробиться. Край такого клееного зеркала должен быть замазан тонким слоем
Т a б л и ц a 4
|
Средний размер зерен (в мм) |
Обозначениe в системе ГОСТа |
Обозначение в английской системе |
|
|
0,35-0,25 |
No 25 |
No 70 |
|
|
0.25--0.20 |
No 20 |
No 80 |
|
|
0,20--0,12 |
No 12 |
No 120 |
|
|
0. 12--0,08 |
No 8 |
No 180, |
или трехминутник |
|
0,08--0,06 |
No 6 |
No 280, |
или пятиминутник |
|
0,04 |
М40 |
- |
10-минутник |
|
0,028 |
М28 |
No 325, |
или 15-минутник |
|
0,02 |
М20 |
No 400, |
или 30-минутник |
|
0,014 |
M14 |
No 600, |
или 60-минутник |
|
0,01 |
М10 |
- |
120-минутик |
|
0,007 |
М7 |
- |
240-мииутник |
нерастворимого в воде клея (например, эпоксидного), так как жидкое стекло "боится воды. После вырезания диска на его краях надо сделать фаски -- сточить наждачным камнем с водой эти края под углом 450. Ширина фаски должна быть 1,5--2 мм.
Теперь приготовим кольцевой шлифовальник для грубой обдирки зеркала. Его диаметр должен быть paвeн примерно половине диаметра заготовки или немного меньше. Один из торцов кольца, отрезанного от подходящей толстостенной металлической трубы, должен быть хорошо обработан, лучше на токарном станке. Это будет рабочий торец шлифовальника.
Для грубой и тонкой шлифовки потребуются шлифпopошки (абразивы). В табл. 4 приведены размеры зерен различных номеров абразивов. Так как на протяжении многих лет действовала английская система обозначения абразивов, и их названия фигурируют в книге М. С. Навашина н других авторов, в нашей таблице приведены размеры абразивов по новой системе обозначений ГОСТа и по старой английской системе.
Порошки можно попытаться приобрести в оптических, зеркальных мастерских или в металлообрабатывающих цехах заводов, где они применяются для доводки металлических деталей. Если же достать не удалось, то их можно получить прокаливая на плитке абразивные круги. Связка, которой склеены зерна абразива, разрушается, и круг рассыпается. Можно замачивать наждачную шкурку в кипятке и собирать абразив на дне банки. Полученные таким образом зерна надо рассортировать. Для грубых порошков применим обычные сита, просеивая через них порошок. Номер шлифпорошка по ГОСТу означает средний размер зерна данной фракции в сотых долях миллиметра. Как определить размер отверстий в сите? Положите сетку сита на миллиметровую линейку и посмотрите в лупу. Размер ячейки нетрудно оценить на глаз. Слишком высокая точность не нужна. Как пронумеровать абразив? Возьмем три сита с ячейками 0,35; 0,25; 0,20 мм. Просеем порошок сквозь первое сито с ячейками в 0,35 мм. Оставшийся на сетке порошок выбросим. Провалившийся порошок просеем сквозь сито с ячейками 0,25 мм. Все, что останется на сите с ячейками 0,25 мм, назовем номером 25. Провалившийся порошок просеем через сито с ячейками 0,20 мм. Остаток на сите назовем No 20. Таким образом, номер порошка присваивается по ситу, на котором он остается.
Самые частые сита могут быть сделаны из металлических сеток для масляных фильтров. Однако порошки размером 0,06--0,04 мм просеиваются с трудом. Поэтому меньшие по крупности абразивы разделим иным способом -- отмучиванием. Сначала опишем процесс в том виде, в котором он применялся прежде в профессиональном производстве.
В банку высотой 100 см наливают чистую прокипяченную воду. Насыпают в нее порошок, представляющий собой смесь зерен различных размеров (номеров). Взбалтывают порошок, чтобы он оказался взвешенным в воде. Дают воде успокоиться, а порошку осесть на дно. Через 3 минуты осторожно сливают воду в другую банку той же высоты, в нее доливают чистой воды до верху и дают взвеси отстояться 10 минут. То, что останется во второй банке, называют 3-минутником. То, что не успело осесть, сливают в первую банку, предварительно вымыв ее. Этой порции дают отстояться 30 минут. Порошок, оставшийся после отстаивания называют 10-минутником и т. д.
Любителю сложно найти банку высотой 100 см. Поэтому возьмем банку высотой примерно 30 см (но не ниже!) и пропорционально сократим время отстаивания. В этом случае 10-минутник, например, получится после отстаивания в течение 10 минут вместо 30, 60-минутник -- после отстаивания 60 минут и т. д.
Для того чтобы во время слива воды не взбалтывать воду и не поднимать осадок со дна, воду лучше сливать с помощью резиновой трубки -- сифона, как это делают шоферы, сливая бензин из бака.
Фракции, собранные со дна, взболтаем еще раз, дав осесть на дно случайным крупным частицам. Если отмучивать один порошок, можно получить всего один-два номера, так как других номеров в нем может просто не оказаться. Поэтому надо приготовить сначала несколько абразивов различных номеров, но обязательно одного материала, а уже потом заняться отмучиванием. Нельзя смешивать, скажем, наждак и карбид бора.
Любитель может применить более крутую "лестницу" номеров абразивов, чем указано в табл. 4. Достаточно иметь No 20, No 8, М40, М20 и М10. Можно использовать и другие номера, но важно, чтобы при переходе к новому номеру размер его зерен уменьшался примерно вдвое.
Для тонкой шлифовки нужно приготовить металлический или пластмассовый диск того же диаметра, что и зеркало. Пластмасса должна хорошо "держать" форму, это может быть плексиглас или текстолит. Толщина этих дисков должна быть, та же, что и для зеркала при разгрузке на три точки.
Кроме этих дисков, потребуется немного эпоксидной смолы, которую можно купить, в хозяйственных магазинах как эпоксидный клей. Кстати говоря, эпоксидная смола нам пригодится и при постройке трубы телескопа, поэтому надо запасти ее 2--3 набора общим весом около 500 г.
Для полировки потребуется приготовить из битума и канифоли полировочную смолу. Того и другого потребуется примерно по 0,5 кг. О способе приготовления полировочной смолы будет рассказано ниже.
Полировка ведется крокусом или полиритом, причем полирит полирует примерно вдвое быстрее крокуса. И то и другое можно попытаться достать в зеркальных или оптических мастерских. Крокус можно приготовить самостоятельно. Горидж Селби [15] предлагает несколько способов получения крокуса. Вот два простых.
1. Железный купорос прокаливается на плитке с выделением окиси железа:
4FеSO4 +O2--> 2Fе2O3 + 4SO3.
Продукт полирует медленно.
2. Гидрокснд железа Fе(ОН)2 может быть получен из профильтрованных растворов железного купороса и
гидроксида аммония NН4ОН. Выпадающий в осадок, гидроксид железа фильтруется, промывается, высушивается и прокаливается, как в первом случае. Продукт полирует хорошо. В обоих случаях получается красный крокус. Реактивы можно попытаться достать в химических лабораториях школ и других учреждений.
Рис. 9 Простой станок для шлифовки и полировки зеркала
Рассмотрим устройство простейшего шлифовального станка (рис. 9). К рабочему столу (лучше к квадратной доске-основанию) прибита одним гвоздем в центре квадратная, восьмиугольная или круглая доска, которая может с трением поворачиваться вокруг оси -- гвоздя. Начертим на ней окружность с центром на оси и диаметром несколько больше зеркала. Прибьем три деревянные пробки, высота которых на 2--3 мм меньше высоты заготовки. Эти пробки-упоры должны удерживать зеркало во время шлифовки на доске. Зеркало должно вкладываться между ними с небольшим зазором. В один зазор вставляется деревянный клин, который прижимает зеркало к двум другим упорам, и теперь зеркало совершенно неподвижно. Если же нам нужно его снять, достаточно вынуть клин. Зеркало лучше уложить на три картонные, фетровые или кожаные прокладки *).
*) Для обработки зеркала можно воспользоваться также специальным станочком, предложенным Л[. М. Шемякиным. Описание станочка можно найти в дополнениях к книге М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя" (3-е изд., перераб. и доп,-- М.: Наука, 1975) либо в статье А. Н. Подъяпольского, М. М. Шемякина и Г. В. Шуваева "Изготовление самодельного телескопа-рефлектора", помещенной в "Астрономическом календаре" на 1980 год. (Прим. ред.)
7. ОБДИРКА ЗЕРКАЛА
Установив заготовку на шлифовальном станке, насыплем на нее примерно с половину чайной ложки
Рис. 10. Обдирка 110- миллиметрового зеркала кольцом на поворотном станке.
грубого абразива No 25--No 20 и смочим его водой. Взяв в правую руку кольцевой шлифовальник и придерживая левой рукой доску, проведем первый штрих кольцом (рис. 10). Начинаем штрих с края заготовки и ведем кольцо до другого ее края, следя за тем, чтобы шлифовальник выходил за край заготовки не более чем на 5 мм. Сделав два-три штриха, повернем доску с заготовкой примерно на 15--300, после чего снова сделаем 2--3 штриха (рис. 11). Обдирку ведем с большим давлением на шлифовальник. Полный штрих -- движение от одного края до другого займет примерно полсекунды. Для зеркала диаметром около 150 мм скорость обдирки составит примерно 120 штрихов в минуту, Поворачивая столик с закрепленной на нем заготовкой зеркала на 300 после каждых двух штрихов, мы повернем его полностью на 3600 за 12 секунд. Это вполне подходящая скорость вращения заготовки при ручной обработке.
Рис. 11. Движение кольца относительно зеркала.
Вскоре после начала обдирки громкий хруст сменится на легкое шипение. Это значит, что абразив измельчился, и его надо заменить на новую порцию. Равномерно распределив абразив по поверхности, снова смочим его, не скупясь на воду. Во время обдирки абразив срабатывается довольно быстро и расходуется его сравнительно много. Довольно скоро заготовка покроется достаточно толстым слоем сработанного абразива, который будет мешать. Сотрем тряпкой сработанный абразив и продолжим обдирку.
Если через 20--30 минут непрерывной работы снять заготовку и к матовой поверхности приложить металлическую линейку с ровным без зазубрин краем, то можно заметить, что между линейкой и зеркалом образовался просвет. Линейка опирается на края заготовки, а центр заготовки заметно "провис". Это означает, что поверхность заготовки принимает вогнутую форму. Теперь надо замерить фокусное расстояние этого, пока еще очень несовершенного, зеркала. Обильно смочим зеркало водой и попробуем поймать солнечный зайчик от смоченной поверхности. Повернем зеркало мокрой (рабочей) стороной к Солнцу, примерно перпендикулярно к падающим лучам. На стену, где расположено окно, направим зайчик, и, приближая или удаляя зеркало от стены, постараемся добиться того, чтобы зайчик стал как можно меньше и ярче. Добившись наименьшего диаметра зайчика, измерим расстояние от зеркала до стены с помощью достаточно длинной, разделенной на сантиметры палки. Это
Рис. 12. Определение радиуса кривизны мокрого зеркала.
и будет фокусное расстояние зеркала. В ходе тонкой шлифовки и полировки это фокусное расстояние может слегка измениться, но в основном оно задается во время обдирки. Чем больше глубина вогнутой поверхности зеркала (эта глубина в центре заготовки называется стрелкой кривизны), тем короче фокусное расстояние. Кстати говоря, радиус кривизны зеркала в два раза больше его фокусного расстояния.
В пасмурные дни поступим иначе: рядом с яркой лампой установим экран так, чтобы он был защищен от прямого света лампы. Устанавливаем зеркало так, чтобы зайчик света падал на экран (рис. 12). Приближая или удаляя зеркало от экрана, добиваемся того, чтобы зайчик света стал маленьким и принял форму волоска лампы. Добившись максимальной резкости, измерим расстояние от зеркала до экрана. Если экран и лампа одинаково удалены от зеркала, то это расстояние и есть радиус кривизны зеркала, который в свою очередь равен двум фокусным расстояниям. Делим расстояние от зеркала до экрана пополам и получаем величину фокусного расстояния зеркала.
Фокусное расстояние можно измерить и другим способом. Измерим просвет между зеркалом и прямолинейным краем металлической линейки (стрелку кривизны). Для этого нарежем неширокие (5 мм) полоски бумаги, например тетрадной. Сложим 20--30 полосок стопкой и измерим толщину стопки, плотно сжав ее. Разделив толщину стопки на число бумажек, получим толщину каждой бумажки. Подкладывая бумажки в центре зеркала, будем время от времени прикладывать линейку до тех пор, пока линейка не ляжет плотно на бумажки. После этого, умножив число полосок на толщину одной полоски, получим величину стрелки прогиба поверхности зеркала, а затем и фокусное расстояние по формуле
где R -- радиус кривизны зеркала, D -- диаметр зеркала, х -- стрелка кривизны.
Если на первых порах точность определения фокусного расстояния описанным методом приблизительно равна точности "мокрого" метода и составляет примерно 
мм, то при переходе к тонкой шлифовке точность непосредственного измерения фокуса смоченного зеркала резко возрастает. На последних стадиях шлифовки эта точность составляет 
мм.
8. КАКИМ ДОЛЖПО БЫТЬ ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ ЗЕРКАЛА?
Прежде всего введем новое понятие: относительное отверстие. Относительным отверстием объектива (зеркала или линзы) называется отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Относительное отверстие всегда выражается дробью с единицей в числителе, например 1/3, 1/10, 1/6,5 и т. д. Между прочим, значения "диафрагмы", нанесенные на оправу фотообъектива,-- это знаменатели относительных отверстий объектива. Если "диафрагма" равна 2,8, то относительное отверстие объектива равно 1/2,8. В астрономической оптике "диафрагма" называется относительным фокусным расстоянием или "относительным фокусом". Например, если фокусное расстояние нашего зеркала равно 1200 мм, а его диаметр равен 150 мм, то относительное отверстие равно 1/8, а относительный фокус 8.
Чем меньше относительное отверстие, тем меньше сказывается на качестве изображения сферическая аберрация зеркала, которая состоит в том, что лучи параллельного пучка света после отражения от сферической поверхности не собираются в одну точку, так как фокусное расстояние центральной части сферического зеркала больше фокусного расстояния крайних зон. Эта разница обычно невелика, но ее достаточно, чтобы заметно портить изображение (рис. 13).
Сфера
Рис. 13. Отражение пучка параллельных лучей от сферического и параболического зеркала.
Совершенно свободно от сферической аберрации параболоидальное зеркало. Параболоид вращения имеет на крайних зонах меньшую, чем в центре, кривизну. Благодаря этому фокусное расстояние крайних зон несколько больше, чем у сферического зеркала. Но сделать параболоидальное зеркало сложнее.
Впрочем, при достаточно малых относительных отверстиях сферическая аберрация так мала, что изображение практически не искажается, и такое зеркало может быть названо идеальным. Табл. 5 дает наименьший относительный фокус V сферического зеркала для выбранного диаметра D, при котором изображения становятся идеальными. Разумеется, можно выбрать относительный фокус еще больше (а относительное отверстие меньше), и изображения будут оставаться по-прежнему идеальными, но нельзя выбирать относительный фокус меньше, чем указано в таблице.
Т а б л и ц а 5
|
D |
70 |
100 |
130 |
150 |
200 |
250 |
300 |
|
V |
6,30 |
7,05 |
7,70 |
8,08 |
8,89 |
9,58 |
10,18 |
В табл. 6, наоборот, показана зависимость диаметра зеркала от выбранного относительного фокуса.
Т а б л и ц а 6
|
V |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
10 |
|
D |
7,7 |
18,2 |
35,5 |
63,3 |
97,4 |
145,4 |
284,0 |
Таким образом, наше 150-миллиметровое зеркало должно иметь относительный фокус не менее 8,08. Иначе говоря, его фокусное расстояние должно быть в 8,08 раза больше диаметра. Нетрудно подсчитать, что фокусное расстояние зеркала не должно быть короче 1212 мм. Конечно, нет нужды выдерживать эту величину с высокой точностью. Достаточно принять фокусное расстояние равным 1200 мм или 1300 мм. Остановимся, например, на первой величине. Проверяя фокусное расстояние у смоченного водой зеркала, остановим обдирку, когда фокусное расстояние станет приблизительно равным выбранному. Лучше, если оно будет на 2--3 см больше, так как в ходе тонкой шлифовки оно несколько уменьшится. 9. ШЛИФОВАЛЬНИК
Для тонкой шлифовки нужен шлифовальник. Проще всего его сделать, подобрав металлический или пластмассовый круг тех же, что и зеркало, диаметра и толщины. Кроме того, потребуется примерно 50-- 60 мл эпоксидной смолы. Для изготовления шлифовальника положим зеркало на горизонтальную поверхность рабочей стороной вверх (рис. 14).
Рис. 14. Зеркало с бумажным бортиком перед изготовлением шлифовальника.
Кружок полиэтилена еще не уложен на зеркало.
Сделаем бортик из толстой бумаги, который должен приподниматься над краем зеркала на 2,5-- 3 мм. Пространство между бортиком и фаской на зеркале заделаем пластилином, предварительно скатав его тонким жгутиком. Важно, чтобы в пластилине не оказалось ямок, лежащих ниже поверхности зеркала. В эти ямки затечет смола, образовав выступы, которые потом не дадут "стянуть" шлифовальник с зеркала. Обильно смажем зеркало маслом со всех сторон (можно применить любое масло, в том числе подсолнечное или сливочное). Поверх смазанной поверхности уложим круглый лист полиэтилена того же, что и зеркало, диаметра.
Нужно проследить за тем, чтобы между краем полиэтилена и бортиком не было больших щелей, куда может затечь смола. Поэтому щель между бумажным бортиком и полиэтиленом лучше заделать пластилином, как и фаску. Смажем маслом и бортик. Все эти меры необходимы для того, чтобы эпоксидная смола не приклеилась к зеркалу. В небольшой посудине разведем смолу, тщательно перемешав собственно смолу-компаунд и отвердитель.
Рис. 15. Канавки на поверхности эпоксидной смолы. Поверхность смолы уже пришлифована к зеркалу.
После тщательного перемешивания смолы выльем ее на полиэтилен. Заливаем до тех пор, пока смола не поднимется до края бортика. Нельзя перемешивать смолу уже на полиэтилене, так как она может подтечь под него. После этого кладем на поверхность смолы приготовленную металлическую или пластмассовую пластину. Для того чтобы смола лучше приклеилась к металлу, с поверхности металла надо удалить следы жира, для чего ее надо тщательно протереть ацетоном или спиртом и сильно поцарапать.
Оставим диск на смоле и дадим ей затвердеть. Обычно на это уходит 8--12 часов. Для верности снимем шлифовальник с зеркала через сутки.
После того как мы снимем с зеркала шлифовальник и полиэтилен, мы увидим поверхность, далекую от идеальной сферы. На поверхности смолы будут видны небольшие ямки и бугорки, которые, впрочем, в основной своей массе будут сошлифованы и не помешают работе шлифовальника.
Для того чтобы абразивный порошок легче распределялся по всей поверхности шлифовальника, надо ножовкой по металлу пропилить в смоле канавки (рис. 15) через 30--40 мм. Канавки помогают быстрому перемещению абразивной суспензии и равномерному ее распределению на поверхности шлифовальника, Кроме того, канавки полезны еще и потому, что в них проваливаются случайные крупные зерна абразива, не успевая поцарапать поверхность зеркала. Если канавок нет, это зерно будет кататься между шлифовальником и зеркалом до тех пор, пока не разрушится. В этом случае оно успеет прочертить длинную царапину. 10. ШЛИФОВКА
Получив нужное нам углубление, мы должны сгладить матовость на поверхности зеркала. Это делается с помощью более тонких абразивов. Шлифовальник теперь располагается внизу, а зеркало наверху. Вспомним, что эпоксидная смола, которой покрыт наш шлифовальник, мягче стекла, поэтому матовость на зеркале получается примерно вдвое тоньше, чем при шлифовке металлическим шлифовальником. Начиная шлифовку на пластмассовом шлифовальнике, применим все тот же абразив No 25, следя за тем, как матовость становится тоньше по мере шлифовки. Только хорошо прошлифовав этим номером абразива, перейдем к No 12, а затем к No 6.
Вообще надо стремиться к тому, чтобы по мере уменьшения размеров зерен их диаметры уменьшались вдвое. Конечно, можно перейти к абразиву, размеры зерен которого меньше предыдущего в 1,4 раза, но крайне нежелательно переходить через более крутую ступеньку, когда средний размер зерен фракции меньше предыдущего в 3 или 4 раза. В этом случае тоже можно хорошо прошлифовать поверхность, затратив больше, чем обычно, времени, но лучше не рисковать так как можно не заметить мелких ямок, оставшихся от предыдущего номера абразива. Эти ямки, если их много, сильно рассеивают свет и снижают контраст изображения в телескопе. Поэтому лучше при переходе к следующему номеру абразива придерживаться уменьшения размера зерен в 2 или 1,4 раза.
Рис. 16. Движение шлифовальника и зеркала при шлифовке.
Шлифпорошки No 25, No 12, No 6 наносим на шлифовальник чайной ложечкой, а воду рукой, смачивая в воде пальцы и брызгая на шлифовальник. Микропорошки М28, М20, М14 и т. п. наносим иначе. Насыплем в мягкую пластмассовую бутылочку с завинчивающейся крышкой микропорошок. Нальем кипяченой воды и, взболтав абразивную суспензию, дадим ей отстояться и сольем излишек воды. Сделаем в крышке толстой иглой. отверстие диаметром около 1 мм. Еще лучше, если крышка снабжена трубочкой, как, например, у бутылочек для бензина к зажигалкам.
Взбалтываем абразивную суспензию, наклоняем бутылочку отверстием вниз и, нажимая на стенки, выдавливаем струйкой суспензию на шлифовальник. Взбалтывать суспензию надо не до дна, так как на дне бутылки бывают случайные крупные частички, которые могут поцарапать зеркало.
Во время шлифовки применяем только центральный штрих (когда центр зеркала движется по диаметру шлифовальника) со смещением центра зеркала на 1/3 диаметра. Вынос делаем всегда в одну сторону, например от себя. Сдвинув таким образом зеркало, возвращаем его обратно. После двух-трех штрихов поворачиваем столик с укрепленным на нем шлифовальником на 300 и одновременно поворачиваем зеркало правой рукой в противоположную сторону примерно на половину угла поворота шлифовальника. После этого делаем еще 2--3 штриха. Впрочем, не обязательно выдерживать такую последовательность штрихов и поворотов. Важнее другое -- шлифовка должна идти равномерно по разным азимутам, зеркало должно сдвигаться в среднем на 1/3 диаметра, но не больше (рис. 16). Некоторые любители шлифуют, сдвигая зеркало в обе стороны на 1/3 радиуса зеркала. Штрихи длиннее 1/3 радиуса приводят к тому, что на краю зеркала появляется "завал", уменьшение кривизны крайней зоны зеркала или, что одно и то же, увеличение радиуса кривизны. Этот дефект в сильно утрированном виде показан на рис. 17,а. Штрихи короче 1/4 диаметра приводят к появлению зональных ошибок, а также "подвернутого края", когда в центре кривизна меньше, чем на краях (рис. 17, б),
Рис. 17. Наиболее часто встречающиеся ошибки поверхности вогнутого зеркала:
завал края (а) и подвернутый край (б).
Чтобы проверить, имеет ли зеркало эти отступления от сферы, промоем зеркало и шлифовальник и высушим их. Прочертим на зеркале простым карандашом несколько диаметральных линий. Осторожно уложим зеркало на сухой шлифовальник и сделаем несколько штрихов. В случае завала карандашные линии сотрутся на средних зонах, а при подвернутом крае - на краю и в центре.
Нельзя злоупотреблять, этими испытаниями, так как на сухом без абразива шлифовальнике зеркало может легко поцарапаться. Поэтому к этим исследованиям прибегнем только в том случае; когда зеркало при движении по шлифовальнику начинает "цепляться". Это указывает на возможный завал края. Если же зеркало движется слишком легко и как бы стремится соскользнуть со шлифовальника, то это указывает на возможный подвернутый край.
Если обнаружен завал края, укоротим штрих до 1/4--1/5 диаметра, если подвернутый край -- увеличим штрих до 2/5 диаметра.
Надо избегать быстрых и резких движений; они должны быть плавными, а чисто полных штрихов не должно превышать двух в секунду при диаметре зеркала 150 мм. 11. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ СКОРОСТЬ ШЛИФОВКИ?
Скорость шлифовки прежде всего зависит от абразива, которым она ведется. Табл. 7 показывает относительную твердость различных естественных и искусственных материалов, применяемых в качестве шлифующих абразивов.
Во время обдирки стараются применить самые твердые материалы. Те же материалы применяются при грубой шлифовке. На последних стадиях шлифовки
Т а б л и ц а 7
|
Наименование материала |
Относительная твердость |
Наименование материала |
Относительная твердость |
|
Кварцевый песок Наждак Корунд |
1.0 1,4 2,0 |
Карбид кремния Карбид бора Алмаз |
2,9--3,3 4,8--4,9 10,0 |
применяются несколько более мягкие абразивы, например корунд. Из электрокорунда приготавливаются микропорошки от М40 и мельче.
Конечно, мы не можем рассчитывать на то, что удастся достать искусственный алмаз, но можно постараться достать карбид кремния или карбид бора, разумеется, нескольких номеров.
Во-вторых, большое влияние на скорость шлифовки, впрочем, как и полировки, оказывает давление на зеркало, Считается [12], что наилучшее давление на инструмент 800 г на 1 см2.
Однако для того, чтобы наше 150-миллиметровое зеркало, имеющее площадь 177 см3, подвергнуть такому давлению, надо поставить на него груз массой более 140 кг. Ни профессионалы, ни любители не используют оптимальное в смысле скорости шлифовки давление и обычно ограничиваются давлением около 5 кПа (50 Г/см2). Для того чтобы создать такое давление на шлифовальнике, надо поставить на зеркало груз массой около 9 кг. Практически в любительской практике применяются еще меньшие давления, так как трудно передвигать зеркало, если на нем стоит тяжелый груз, Поэтому 150-миллиметровое зеркало нагружается грузом массой 2--3 кг, и удельное давление составляет 1--1,5 кПа или 10-- 15 Г/см2.
Нужно помнить еще об одном обстоятельстве, которое принуждает избегать больших давлений при обработке астрономических зеркал. Речь идет о деформациях заготовки при больших нагрузках, что может привести к грубым ошибкам на поверхности зеркала. Поэтому на последних стадиях тонкой шлифовки примем давление 1--1,5 кПа как оптимальное и не будем намного превышать эту величину.
На однородности матирования сказывается продолжительность шлифовки одним номером абразива. Очевидно, что чем дольше мы шлифуем одним номером, тем равномернее будет матирование. Однако продолжительная шлифовка увеличивает вероятность попадания крупных зерен, которые могут поцарапать поверхность зеркала. Поэтому необходимо выбрать некую оптимальную продолжительность, когда матовость от предыдущего абразива совершенно явно сошлифована. Для электрокорунда эта продолжительность составляет примерно 15--20 минут, если каждый последующий номер имеет зерна в 1,4 раза меньше зерен предыдущего номера. Если "лестница"" номеров "круче" и каждый последующий абразив мельче предыдущего в 2 раза, время шлифовки надо увеличить, до 1--1,5 часа. При этом имеется в виду, что удельное давление составляет 1-- 1,5 кПа. Увеличение давления приводит к прямо пропорциональному увеличению скорости сошлифовывания стекла и, значит, к обратно пропорциональному сокращению времени шлифовки одним номером абразива. Поэтому во время обдирки и на первых стадиях шлифовки надо применять как можно большее давление, помня, что даже усилие на зеркале в 10 кГ приведет к удельному давлению всего около 6 кПа (60 Г/см2).
Долгое время считалось, что на поздних стадиях шлифовки давление должно быть резко уменьшено. из-за опасности появления царапин. Исследования последних лет показывают, что число царапин совершенно не зависит от давления [12].
По мере того как стекло сошлифовывается, а абразив измельчается, на поверхности шлифовальника собирается большое количество шлама (отработанного абразива и измельченного стекла), который сам практически не принимает участия в процессе шлифования, но очень мешает шлифовке свежим абразивом, так как зеркало "плавает" на этом слое шлама и недостаточно прижимается к шлифовальнику. Чтобы этого избежать, необходимо своевременно убрать шлам. Для этого достаточно время от времени (через 2 - 3 порции абразива добавлять много воды, которая смоет отработанный шлам, и он по канавкам в шлифовальнике стечет на ее края. Однако через некоторое время нужно зеркало полностью отмыть от шлама. Чаще всего эта процедура совпадает с мытьем зеркала и шлифовальника перед переходом на более мелкий абразив. 12. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МАТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Самое неприятное в ходе тонкой шлифовки -- царапины и остатки матовости от предыдущих номеров абразива. Поэтому, прежде чем переходить на более мелкий абразив, нужно внимательно осмотреть матовую поверхность зеркала в косо падающем солнечном свете или свете сильной лампы, стараясь рассмотреть возможные ямки--"точки", которые выделяются на ровном фоне матовой поверхности, как яркие блестки.
При рассматривании отражения в матовой поверхности зеркала большого не слишком яркого объекта, например окна днем (при косом падении света на зеркало), надо обращать внимание на то, что некоторые участки зеркала могут иметь более матовую поверхность, чем остальные. Однако надо помнить, что вид поверхности зависит и от угла падения света: при более скользящем падении поверхность блестит больше. Покачивая зеркало, внимательно выискиваем матовость в виде кольца или пятна в центре, концентричного с краем зеркала. Эта матовая зона говорит о том, что дело не в косом падении света, а действительно в остатках матовости после грубой шлифовки.
Хорошие результаты можно получить, рассматривая поверхность зеркала в сильную лупу, а еще лучше -- в микроскоп с увеличением 50--100 раз. Имея слабый объектив от какого-нибудь старого микроскопа и окуляр, микроскоп можно сделать самому. Установив его на простом штативе из толстой проволоки, можно получить прекрасный инструмент (рис. 18).
Рис. 18. Микроскоп для осмотра шлифованной поверхности зеркала.
Конечно, невозможно осмотреть всю поверхность зеркала в микроскоп; достаточно осмотреть несколько зон. Для этого надо от самого края зеркала пройтись. вдоль радиуса зеркала до самого центра. В тех случаях, когда на фоне мелкого матирования видны крупные ямки, надо осмотреть эту зону внимательнее, двигаясь по окружности вдоль зоны.
Как оценить размер попадающихся ямок? Для этого в фокальную плоскость окуляра надо ввести кончик тонкой проволоки. Фокальная плоскость расположена там, где установлена так называемая полевая диафрагма окуляра; у обычных окуляров к микроскопу эта диафрагма установлена между линзами. Поэтому окуляр надо разобрать, вывинтив одну из линз. Впрочем, в некоторых микроскопах применяются окуляры с полевой диафрагмой, расположенной перед передней (не глазной) линзой. Тогда установить проволочку вообще не составит труда. Надо добиться, чтобы проволочка была видна резко одновременно с матовой поверхностью зеркала.
Следующий шаг заключается в том, что надо измерить диаметр поля зрения микроскопа в пространстве предметов. Для этого будем рассматривать миллиметровую линейку в микроскоп. Предположим, что в поле зрения видно одновременно 1,5 деления. Это значит, что поле зрения микроскопа составляет 1,5 мм в диаметре. Допустим, проволочка видна такою размера, что ее толщина составляет 1/40 диаметра поля зрения. Это значит, что в пространстве предметов проволочка проецируется размером 1,5 : 40=0,04 мм или 40 мкм.
Как оценивать размер ямок? Глядя в микроскоп, сравниваем размер ямки с видимой толщиной проволочки. Предположим, что ямка имеет размер около 1/3 толщины проволочки, значит, настоящий диаметр ямки равен 40 мкм : 3 =13 мкм
Получив размер ямки, мы можем решить, каким образом ее можно сошлифовать.
Практика показывает, что при шлифовке с давлением около 1 кПа (10 Г/см2) ямка сошлифовывается за 15--20 мин, если шлифовка ведется абразивом со средней величиной зерна того же размера, что и диаметр ямки. В нашем примере ямка будет сошлифована за 15--20 минут микропорошком М14.
Не нужно думать, что для оценки качества поверхности зеркала обязательно нужен микроскоп. Большинство любителей обходится лупой. Но микроскоп позволяет просто и быстро решать вопрос об устранении ямок или царапин. 13. КАК ИЗБЕЖАТЬ ЦАРАПИН?
Надо сразу сказать, что универсального средства полностью избежать царапин нет. Проблема царапин настолько сложна, что даже в профессиональном производстве существуют допуски, позволяющие считать поверхность совершенной, если на ней есть некоторое число небольших царапин. ГОСТ предусматривает для астрономических объективов и зеркал класс чистоты VII. Это означает, что допускается некоторое число царапин шириной не более 0,1 мм, если их суммарная длина не превышает двух диаметров объектива, В нашем случае ГОСТ допускает несколько царапин общей длиной около 300 мм. На оптических деталях размером с наше зеркало не учитываются одиночные точки, если их диаметр не превышает 1,0 мм, а число не больше 0,5 D (D -- диаметр зеркала в мм). На нашем зеркале может быть не более 75 точек диаметром до 1 мм.
Вообще же царапин и точек можно в значительной степени избежать, если в основу положить принцип:
"Во всем абсолютная чистота и аккуратность". С этой целью не мешает лишний раз залить абразивы водой, взболтать и дать отстояться.
Для баночек, где хранятся микропорошки, ни в коем случае нельзя применять стеклянные пробки. Пробки должны быть корковые или пластмассовые.
Для взмучивания абразивов надо применять только хорошо отстоявшуюся свежевскипяченную воду.
В значительной степени при работе помогают канавки на шлифовальнике, куда крупные частицы проваливаются, не причинив вреда.
На рабочем месте не должно быть ничего лишнего. Для того чтобы отработанный абразив не скапливался на столе, надо почаще снимать и мыть клеенку, которой застелен стол и на которой установлен станок. Многие любители используют вместо клеенки стопу старых газет, грязные газеты снимают и выбрасывают при переходе к более мелкому абразиву.
Часто в толще стекла попадаются мелкие пузырьки. Они не страшны. Но если такой пузырек расположен в непосредственной близости к поверхности зеркала, он может в ходе шлифовки вскрыться. В этом случае ямку надо рашлифовать с помощью мелкого абразива и гвоздя, установив гвоздь в ямку и вращая его пальцами. Это устранит еще одну опасность--скапливание в ямке отработанного абразива. Расшлифованная ямка практически не мешает работе зеркала. У 2,6-метрового телескопа Крымской астрофизической обсерватории одно из вспомогательных зеркал имеет два расшлифованных пузырька диаметром примерно 6--7 мм.
Во время тонкой шлифовки чрезвычайно мелкий отработанный абразив слипается в прочные комочки. Эти комочки собираются на краю шлифовальника, где отработанный абразив быстро сохнет. Попав между зеркалом и шлифовальником комочек не может быстро разрушиться и некоторое время катается по поверхности зеркала, производя царапины. Эти царапины в микроскопе выглядят не так, как обычные, образованные крупными зернами абразива Если последние оставляют царапины, напоминающие овраги с рваными краями и очень неровным дном, то царапины от слипшихся комочков имеют совершенно плоское дно. Создается впечатление, что часть матовой поверхности осела на некоторую глубину. Чтобы избежать, этих царапин, надо не давать высыхать абразиву на краю шлифовальника. Для этого край шлифовальника время от времени надо смачивать водой, следя за тем, чтобы он оставался всегда мокрым.
При рассматривании отшлифованной поверхности или в процессе полировки иногда можно заметить, что одна из зон явно хуже отшлифована и имеет более грубую матовость. Эта зона обычно располагается в том месте, где добавлялся абразивный порошок. Возникает матовость от того, что на этой зоне абразив всегда крупный, еще не успевший разрушиться, тогда как на другие зоны он попадает заметно измельченным. Чтобы предотвратить это, надо наносить абразив не только на этой зоне, но и на самом краю, и на центральных зонах.
Опасно оставлять на шлифовальнике мало абразива. Шлифовка с недостаточным количеством абразива--также одна из причин появления царапин. Особенно опасно класть зеркало на шлифовальник без абразива. Здесь даже самая мелкая соринка может оставить роковой след.
Канавки на шлифовальнике, защищая зеркало от царапин во время шлифовки, могут стать источником царапин при перемене номера абразива: поэтому мыть шлифовальник надо особенно тщательно, лучше всего со щеткой. 14. КАК ИЗМЕНИТЬ РАДИУС КРИВИЗНЫ ЗЕРКАЛА?
В ход шлифовки время от времени полезно смачивать зеркало водой и определять его фокусное расстояние, а, следовательно, радиус кривизны. Мы помним, что фокусное расстояние равно половине радиуса кривизны.
Давно замечено, что если две плоские стеклянные пластины долго шлифовать одна о другую, то верхняя пластина становится вогнутой, а нижняя -- выпуклой. У профессиональных оптиков есть выражение "план пошел на радиус". Это значит, что плоская поверхность стала приобретать кривизну. Между прочим, на протяжении многих лет это свойство шлифуемых поверхностей использовалось для того, чтобы придать, зеркалу вогнутость, а стеклянному шлифовальнику выпуклость. Тех, кого это заинтересует, отсылаем к книге М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя",
Нас сейчас интересует только возможность изменять радиус кривизны зеркала. При шлифовке пластмассовым шлифовальником постоянное положение зеркала сверху приводит к тому, что его радиус кривизны, а значит, и фокусное расстояние постепенно уменьшаются. Например, при обработке автором зеркала диаметром 160 мм микропорошками М40, М28, М20, М14 в течение трех часов фокусное расстояние зеркала уменьшилось с 1000 мм до 940 мм.
Чтобы увеличить фокусное расстояние, нужно зеркало и шлифовальник поменять местами зеркало положить на стол, а шлифовальник сверху. Меняя положение зеркала и шлифовальника, можно сохранять величину радиуса кривизны и фокусного расстояния, если оно близко к расчетному. Впрочем, некоторое изменение фокусного расстояния не страшно, так как от этого только несколько изменится длина трубы. Единственное, за чем надо следить,-- это чтобы величина относительного фокуса не уменьшалась до величин, значительно меньших, чем приведены в табл. 5. В противном случае у отполированного зеркала величина сферической аберрации будет превышать допустимую. 15 КОГДА ЗАКАНЧИВАТЬ ШЛИФОВКУ?
Чем тоньше матовость, тем проще и быстрее идет полировка. Но при использовании слишком мелких микропорошков вероятность возникновения царапин резко возрастает. На это жалуются почти все любители. Поэтому ограничим себя микропорошком М10. На пластмассовом шлифовальнике он дает очень тонкую матовость, которая соответствует матовости от порошка No 7 на металлическом или стеклянном шлифовальнике. В то же время микропорошок М10 еще не дает тех царапин, которые характерны для номеров М7 или М5. Можно остановиться и на порошке М14. При этом в два раза увеличится время полировки.
После осмотра отшлифованной поверхности, как было сказано выше, можно решиться на переход к полировке, если на матовой поверхности зеркала нет недопустимых дефектов. Здесь, полезно еще раз отметить, что отдельные царапины не сказываются на качестве изображения, но сеть, мельчайших и многочисленных царапин очень страшна. Отдельные точки, хотя бы и крупные, не страшны, в отличие от больших площадей с мелкой матовость. Поэтому, если на поверхности зеркала обнаружены многочисленные царапины или ямки, которые значительно глубже основной матовости, надо возвратиться к шлифовке с более крупным абразивом, прежде чем перейти к полировке. Можно затратить много часов непрерывной полировки, но так и не сполировать ямок диаметром 30-40 мкм. 16. КАК ПРИГОТОВИТЬ ПОЛИРОВОЧНУЮ СМОЛУ?
Полировочная смола состоит из каменноугольного пека (битума, сапожного вара), канифоли и воска (без которого можно обойтись). В табл. 8 приведены составляющие полировочной смолы в зависимости от рабочей температуры помещения.
На разостланной газете разобьем пек (или битум) и канифоль на кусочки размером в 0,5--1 см, измельчим воск. Перемешаем в пропорциях, указанных в
Т а б л и ц а 8
|
Марка смолы |
Канифоль, г |
Воск, г |
Пек, г |
Рабочая температура, С |
|
П10, 5 |
840 |
10 |
150 |
40--35 |
|
П10 |
700 |
10 |
290 |
35--30 |
|
П9, 5 |
600 |
10 |
390 |
30-25 |
|
П9 |
500 |
10 |
490 |
25-20 |
|
П8,5 |
380 |
10 |
610 |
23--20 |
|
П8 |
150 |
10 |
840 |
20--15 |
таблице, и всыплем в металлическую баночку, в которой будем варить смолу. Смесь должна нагреваться на медленном огне, и при варке нельзя допускать, чтобы смола закипела. Тщательно перемешаем массу палочкой. Сначала на палочке налипнет почти вся смола, но по мере постепенного разогревания она равномерно заполнит банку. После получасового нагревания и помешивания смолу можно считать готовой. Теперь из смолы надо устранить возможные твердые крупинки. Для этого смолу надо процедить через марлю. 17. КАК СДЕЛАТЬ ПОЛИРОВАЛЬНИК ?
Если шлифовка шла на достаточно твердом шлифовальнике, то полировка производится на относительно мягком полировальнике. Существует довольно много способов изготовления полировальников -- нанесения смолы на металлическую основу. Мы опишем три из них.
Первый напоминает изготовление шлифовальника из эпоксидной смолы. На лицевую поверхность зеркала кладем пару кругов из промокательной или другой мягкой пористой бумаги, которая должна защитить зеркало от резкого перегрева в момент выливания на него смолы. Поверх промокательной бумаги укладываем круг из алюминиевой фольги, которую можно купить в хозяйственных магазинах.
Вокруг зеркала сделаем бортик из мокрой толстой бумаги в два слоя высотой в 5 мм над поверхностью зеркала. Теперь выливаем на фольгу разогретую до консистенции сметаны смолу. Когда уровень смолы выровняется с верхним краем бортика, положим на смолу подогретый металлический диск, протерев его предварительно скипидаром, и оставим остывать на смоле. Толщина слоя смолы должна быть около 5 мм.
Через 10 минут смола достаточно затвердеет, и мы сможем снять основание полировальника вместе со смолой. Перевернем его смолой вверх и удалим фольгу, которая снимается очень легко (рис. 19, а).
Окончательную форму полировальнику мы придадим на отшлифованной поверхности зеркала, но сначала нужно изготовить канавки, назначение которых станет ясным несколько позже.
Для изготовления канавок на жало электропаяльника прикрутим толстой медной проволокой наконечник из жести (рис. 19, б). Нарежем полоски газеты длиной примерно 150 мм и шириной 20 мм. Смочим и уложим их на поверхность смолы параллельно друг другу с интервалом 5 мм. На края банки со смолой установим полировальник вертикально, рабочей стороной к себе и полосками вертикально. Подведем наконечник паяльника к одному из промежутков между полосками газеты и начнем прорезать горячим наконечником канавку, ведя паяльник снизу вверх и касаясь его жалом металлического диска (рис. 19, б). Расплавленная смола по желобку наконечника будет стекать вниз в баночку со смолой. Прорезав ряд канавок в одном направлении, укладываем мокрые полоски газеты в перпендикулярном направлении к уже прорезанным канавкам и прорезаем второй ряд канавок.
Рис. 19. Изготовление полировальника: а) Сдирание фольги с затвердевшей смолы после грубой отливки полировальника, б) наконечник паяльника, в) прорезание канавок на смоле паяльником, г) полировальник после окончательной формовки на мокром зеркале.
Обратите внимание на несимметричное расположение канавок относительно центра полировальника, отмеченного кружком. Глубина канавок должна равняться толщине слоя смолы, так, чтобы каждый квадратик действовал как маленький самостоятельный полировальник. Важно проследить, чтобы все квадратики были аккуратными и одинаковыми. Но важно также и то, чтобы в целом сетка канавок не была симметричной. Для этого надо, чтобы с центром полировальника не совпадали канавка и центр квадратика (рис. 19, г).
После того как все канавки прорезаны, отформуем полировальник окончательно. Нагреем его в теплой (50--600) воде, смочим теплой водой зеркало и, уложив теплый полировальник на станок, а поверх него зеркало (рис. 9), начнем "полировку" без крокуса, делая это точно так же, как и при шлифовке. Слишком больших давлений здесь не нужно, так как канавки могут искривиться. Наша задача добиться того, чтобы вначале неровная и довольно матовая поверхность смолы стала ровной и зеркально блестящей (рис. 19, г). Нужно проследить за тем, чтобы на поверхности квадратиков не было ямок от мелких пузырьков воздуха, которые попадают между стеклом и смолой. Один-два пузырька не страшны, но сеточка мелких пузырьков на той или иной зоне непременно приведет к зональной ошибке. Впрочем, при описанном способе получения полировальника этот дефект встречается очень редко.
Если на полировальнике образовался скол, нужно держа кусок смолы над сколом, поднести к нему нагретый наконечник паяльника и дать капле смолы стечь в ямку скола. После того как ямка заполнится смолой, мокрым пальцем грубо подравняем смолу и заново отформуем зеркало. Надо помнить, что во время формовки полировальника зеркало должно постоянно быть мокрым, иначе оно может накрепко приклеиться к смоле, и тогда придется нагревать полировальник и снимать зеркало вместе со смолой. Если такое случится, то сдирать смолу со стекла можно только деревянной палочкой, чтобы не поцарапать зеркало. Затем остатки смолы надо стереть ваткой, смоченной в бензине или керосине, и после этого вымыть зеркало водой с мылом.
Второй способ изготовления полировальника также проводится в два приема: отливка с изготовлением канавок и формовка.
Отливку ведем на резиновый коврик с взаимно пересекающимися ребрами. Эти ребра должны иметь в сечении форму трапеции или, как сказал бы литейщик, они должны иметь "конусность". Укладываем коврик на зеркало ребрами вверх. Приготавливаем 2--3 см3 (один наперсток) смеси воды и крокуса.
Рис. 20. Отливка полировальника на коврике. Излишки смолы скалываются мокрым ножом. Формовка производится на мокром зеркале.
Смесь должна быть достаточно густой. С помощью кисти закрашиваем крокусом ту часть коврика, которая лежит на зеркало. После того как крокус немного подсохнет, выливаем на коврик смолу так, чтобы она заполняла ямки, поднимаясь до уровня ребер. Для лучшего прилипания металла к смоле протрем его скипидаром. Впрочем, можно обойтись и без этого. Укладываем подогретый металлический круг на смолу и даем смоле затвердеть. Через 10 минут снимаем полировальник с коврика (рис. 20). После затвердения смолы нагреваем полировальник в теплой воде и формуем мокрым зеркалом окончательно.
Рисунок ребер на резиновом коврике может быть различным: ребра могут пересекаться под прямым углом, под углом 600, образовывать шестиугольные ячейки и т. п. Важно только, чтобы весь рисунок был однообразным по всей поверхности.
Третий способ заключается в том, что смола выливается на фольгу или мокрый пергамент (можно на кальку). Пока она мягка, мокрой деревянной линейкой проводим систему взаимно перпендикулярных канавок, подправляя их, если они заплывают. Дадим смоле окончательно затвердеть. После этого снимем слой с фольги или пергамента и разломим смолу на квадратики, как шоколадную плитку.
Теперь эти квадратики надо уложить на подогретую и протертую скипидаром (для лучшего сцепления) основу полировальника -- металлический круг. Желательно, чтобы эта основа имела выпуклую форму того же радиуса кривизны, что и зеркало. Это нужно для того, чтобы слой смолы имел на всей площади полировальника примерно одинаковую толщину. Кстати, это желательно и для полировальников, описанных выше. К этому есть два простых пути. Во-первых, можно приготовить полировальник непосредственно на выпуклом шлифовальнике или сделать еще один диск с эпоксидным слоем по радиусу кривизны зеркала. Второй путь заключается в том, что алюминиевую пластину относительно небольшой толщины (для 150-миллиметрового зеркала она должна иметь толщину 10--12 мм) кладем на ровную поверхность песка и с силой тяжелым молотком бьем в центр круга, постоянно проверяя, как ведет себя обратная сторона диска. Таким образом, можно получить заготовку подходящей кривизны. (варварский метод, однако ;-) ) 18. ПОЛИРОВКА
После формовки полировальника переходим к полировке зеркала. Во время полировки зеркало должно принять зеркальный блеск, и всякие следы ямок матовости должны сполироваться. Кроме того, во время полировки зеркалу будет придана точная сферическая форма.
Полировка во многом напоминает шлифовку. Штрихи имеют ту же, что и при тонкой шлифовке, длину. Работа производится с той же скоростью. Давление на зеркало должно быть достаточно большим, чтобы удельное давление составляло около 1 кПа (10 Г/см2). На первых стадиях полировки, когда форма зеркала еще далека от идеальной, давление можно увеличить в 2--3 раза против указанного. Но по мере того, как матовость будет сполировываться, давление придется снизить.
Время от времени, через 8--10 минут, наносим на смолу влажный полирит. Надо заметить, что полирит сполировывает стекло вдвое быстрее, чем крокус, поэтому желательно достать именно полирит, а не крокус. Но у крокуса другие преимущества: его можно приготовить самому, кроме того, он дает поверхность несколько лучшего, чем при работе с полиритом, качества.
В ходе полировки чистота рабочего места и инструмента необходимы в еще большей степени. Полирит, как и микропорошки, наносим из пластмассовой бутылочки.
Нужно внимательно следить за влажностью полировальника, добавляя время от времени несколько капель воды. Полирита требуется гораздо меньше, чем абразива при тонкой шлифовке.
Для протирания зеркала лучше всего применять гигроскопическую вату, бумажные полотенца или чистые носовые платки.
Поблизости надо повесить термометр для контроля температуры помещения и, следовательно, рабочей температуры смолы. Неподалеку должны находиться часы для того, чтобы записывать время каждой операции. Вообще, во время полировки очень важно вести журнал, так как число различных ситуаций гораздо больше, чем во время шлифовки, и важно не допускать повторения одних и тех же ошибок.
После этих предварительных замечаний перейдем к описанию самого процесса полировки. Обильно обрызгаем полировальник полиритом: если надо, добавим еще немного воды и осторожно положим зеркало на поверхность смолы. Сквозь стекло видно, что значительная часть поверхности зеркала не прикасается к смоле, в этих местах видны большие и мелкие воздушные полости. Осторожно, без нажима, сделаем несколько круговых движений, чтобы полностью выдавить воздух в канавки. Совместим центры зеркала и полировальника и плотно прижмем зеркало к смоле. В начале полировки, так же как и после перерывов больше 1--2 часов, при снятом зеркале, смола уже не повторяет в точности форму зеркала, так как она хотя и медленно, но течет. Поэтому каждый раз после перерыва на час и более или в начале работы на новом полировальнике его надо отформовать. На 5--10 минут оставим зеркало на полировальнике, нагрузив его небольшим (1--2 кг) грузом.
Дав полировальнику отформоваться, снимем груз и начнем полировку, двигая зеркало и вращая столик в точности, как и при шлифовке. Может быть, в начале полировки зеркало будет цепляться за смолу и его движения будут неплавными. Это скорее всего происходит из-за того, что форма зеркала пока еще далека от идеальной сферы. Вероятнее всего, оно имеет в центре "яму", а его края "завалены". В сильно утрированном виде такое зеркало показано на рис. 17, а.
Самое простое средство против завала на краю заключается в сокращении длины штриха до 1/5 диаметра. Полируем, применяя этот штрих, минут 20--30, может быть, час и возвращаемся к нормальному штриху. Скорее всего, полировка теперь пойдет нормально, но если зеркало продолжает цеплять, то это может означать, что смола слишком мягка. Страшного в этом ничего нет, так как мы можем добавить в нее канифоли, конечно, предварительно сбив смолу молотком с металлического круга и расплавив. Мягкая смола вообще приводит к завалу края, так как ведущий передний край зеркала во время его движения по смоле слегка зарывается в смолу и сполировывание здесь идет быстрее. Твердая смола, напротив, почти не приводит к завалу, так как хорошо сохраняет форму, но полировка на ней идет гораздо медленнее, чем на мягкой, а царапины появляются гораздо легче.
В старых руководствах указывается на то, что полировка должна идти без давления на зеркало. В действительности это не совсем так. Мы уже упоминали, что царапины возникают примерно одинаково быстро и при полировке с давлением и без давления. Важнее другое: сильное давление приводит к деформации зеркала и к ошибкам на его поверхности. Поэтому, пока идет грубая полировка, назначение которой сполировать матовость после тонкой шлифовки, мы можем применять давление до 2--3 кПа (20--30 Г/см2) и больше. Когда мы перейдем к фигуризации, давление можно уменьшить до 0,5--1 кПа (5--10 Г/см2).
Добившись плавности движения, продолжаем полировку. Сквозь стекло видно, как по канавкам бегают пузырьки воздуха в смеси полирита с водой. Если все пойдет хорошо, поверхность зеркала полностью отполируется за 5--10 часов непрерывной полировки. Однако надо быть готовым к тому, что тонкая шлифовка была не вполне качественной, и тогда полировка может растянуться на 20--30 часов, это тоже не слишком много. Во всяком случае, у начинающих любителей такое время не считается слишком большим.
Через час работы снимем зеркало и внимательно осмотрим его. Оно уже довольно хорошо отражает предметы, но часть его поверхности остается пока более матовой, чем остальная. Обычно это бывает на краю зеркала или на некоторой средней зоне. Эти матовые зоны говорят о том, что поверхность зеркала не вполне сферическая. В микроскоп видно, что большие площадки стекла уже полностью отполированы, но часть поверхности занимают ямки матовой поверхности. Пройдемся взглядом по радиусу зеркала. Если остатки матовости занимают примерно везде одинаковую площадь, дело идет хорошо. Если в относительно матовых участках зеркала площадь ямок занимает всю поверхность, а полированных участков нет или почти нет, продолжим полировку еще 1--2 часа и снова осмотрим зеркало в микроскоп вдоль радиуса. Если матовые участки не полируются, нужно возвратиться к тонкой шлифовке. Теперь становится ясно, почему не следовало полировочную смолу наливать на шлифовальник. Отложив полировальник в сторону, можно вернуться к шлифовке. Мы знаем, как оценить размер ямок в поле зрения микроскопа и как подобрать подходящий для шлифовки абразив. Разумеется, надо ориентироваться по самым большим ямкам, которые встречаются достаточно часто. Отдельные, даже очень глубокие, ямки можно не принимать во внимание.
Впрочем, будем смотреть в будущее с большей верой в успех, так как описанная неприятность встречается относительно редко, и неравномерная вначале полировка постепенно становится все лучше.
Дадим несколько дополнительных советов. Когда зеркало продолжает долго цепляться за смолу, можно прибегнуть к довольно эффективному средству. Разогреем полировальник в теплой воде, положим на смолу кусок смоченного в воде тюля, расправим его и прижмем зеркалом. Оставим зеркало на полировальнике до его остывания. Сняв зеркало и тюль, увидим, что на поверхности каждой фасетки появилась сеточка мелких канавок. Теперь каждая из этих крошечных фасеток работает как самостоятельный полировальник, и полировка идет чрезвычайно равномерно по всем зонам зеркала. Бывает достаточно один раз отформовать эту сетку канавок и дать им свободно заплыть в ходе полировки.
При ручной полировке с достаточным давлением стекло типа крон -- наиболее распространенный материал любительских зеркал -- сполировывается со скоростью 2--3 мкм в час. Для увеличения скорости полировки в 1,5 раза можно вместо воды применять 1%-ный водный раствор хлорного железа, хлорного цинка или азотнокислой меди.
Прерывая полировку на несколько часов, лучше всего оставить зеркало на полировальнике, предварительно подмазав его полиритом с водой. Если дополнительно обмотать зеркало и полировальник мокрым полотенцем, можно оставить зеркало на полировальнике на сутки. Если полировальник вместе с зеркалом положить в тазик с водой, чтобы они полностью погрузились в воду, можно их не вынимать 2--3 дня. Если все-таки после того, как они будут вынуты, зеркало и полировальник не разъединяются, нужно их слегка нагреть в теплой воде, а потом подставить зеркало под струю холодной воды. Надо следить за тем, чтобы, во-первых, перепад температуры был не слишком велик и, во-вторых, чтобы внезапно отделившееся зеркало не выскользнуло из рук. Все эти работы надо проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.
В ходе полировки зеркало должно не только совершенно освободиться от матовости, но и приобрести оптически точную форму. Для контроля формы поверхности зеркала применяют теневой метод Фуко. 19. ЧТО ТАКОЕ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ФУКО?
Уильям Гершель, так же как и другие телескопостроители тех времен, полировали свои зеркала в значительной степени вслепую. Удачное зеркало было во многом делом случая, так как до середины XIX в. у телескопостроителей не было надежного метода контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил гениальный метод контроля вогнутых оптически точных поверхностей. Этот метод столь же изящен по своей идее, сколь чувствителен и надежен на практике. Его суть сводится к следующему.
Леон Фуко (1819--1868),
Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 21) устанавливается крошечный, но яркий источник света ("искусственная звезда") М. Этой звездой может служить маленькая (0,1--0,3 мм) дырочка в кусочке алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке. Так как "искусственная звезда" установлена вблизи центра кривизны зеркала (чуть сбоку от оси зеркала), зеркало строит ее изображение также вблизи центра кривизны, но по другую от оси сторону. Если позади изображения "искусственной звезды" поместить глаз, чтобы весь пучок света "провалился" в зрачок, мы увидим, что зеркало равномерно по всей поверхности залито светом "звезды".
Рис. 21. Вид теневой картины на зеркале при различном положении ножа. 1 -- нож точно в центре кривизны сферического зеркала, 2 - положение ножа перед центром кривизны, 3 - положение ножа за центром кривизны.
Это и понятно: ведь в этот момент все без исключения лучи "звезды", отраженные зеркалом, соберутся в зрачке. Представим себе, что мы испытываем идеальное сферическое зеркало. Это значит, что лучи, отраженные каждым участком зеркала, каждой его зоной, все соберутся в точке фокуса*
*) При описании метода Фуко словом "фокус" обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.
Осторожно введем непрозрачный экранчик с острым (без зазубрин) краем (например лезвие безопасной бритвы) в вершину конуса лучей, чтобы перекрыть изображение "звезды". Одновременно смотрим на зеркало, чтобы оно оставалось равномерно освещенным.
Если лезвие вводить очень осторожно, чтобы оно перекрыло только часть изображения "звезды", зеркало померкнет лишь отчасти, но также по всей поверхности одновременно. Важно понять, что в построении каждого участка изображения "звезды", даже если это изображение дифракционное, участвует вся поверхность идеального сферического зеркала. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности.
Теперь несколько изменим опыт. Введем лезвие, которое принято называть ножом Фуко, в конус лучей до их пересечения в фокусе. Нож расположен в этом случае на 1--2 см ближе к зеркалу. Это положение называется предфокальным. Если теперь мы посмотрим на зеркало (конечно, оставляя глаз все так же в пучке света), то увидим, что часть зеркала погасла, тогда как другая часть его по-прежнему освещена лампой. Если нож введен справа, то погаснет правая часть. Это происходит потому, что нож пересек часть пучка, идущую от правой части зеркала.
Еще раз изменим наш эксперимент. Введем нож в пучок позади изображения "звезды". Теперь при введении ножа справа гаснет левая часть зеркала. Это происходит потому, что после пересечения в точке лучи, идущие с левой стороны зеркала, оказываются справа от оптической оси.
Сформулируем важное правило: если нож вводится в пучок справа в предфокальном положении, то гаснет правая часть зеркала. Если нож вводится в пучок справа в зафокальном положении, то гаснет левая часть зеркала.
Иначе говоря, в предфокальном, положении тень ножа на зеркале движется в ту же сторону, что и нож, а в зафокальном положении тень движется навстречу ножу.
Теперь сосредоточим все внимание. Допустим, что зеркало -- не идеальная сфера, а имеет завал на краю и яму в центре. В этом случае радиус кривизны центральной части короче радиуса кривизны края зеркала. Это означает, что и фокусное расстояние центра короче фокусного расстояния краев; фокус некоторой промежуточной зоны окажется где-то между фокусами центра и края.
"Поймаем" глазом пучок чуть дальше фокусов всех зон и снова введем нож в районе фокуса промежуточной зоны. Очевидно, что для крайней зоны положение ножа окажется предфокальным, и на краю зеркала тень разместится справа. Для центральной зоны это же положение ножа окажется зафокальным, и в центре зеркала тень расположится слева от вертикальной оси симметрии.
На промежуточной зоне, в фокусе которой находится нож, мы увидим "полутень", когда поверхность гаснет лишь отчасти.
Окинув взглядом все зеркало, мы увидим, что зеркало сейчас напоминает не то лунный кратер (как кажется автору книги), не то бублик (как кажется другим любителям). Мы явно видим "яму" в центре и "вал" на средней зоне тогда, как край зеркала "опущен" или "завален".
Задача оптика состоит в том, чтобы, рассматривая теневой "рельеф", решить, как нужно изменить ход полировки, чтобы снивелировать "бугры", "ямы", "канавки", "валики" и получить "плоский" теневой рельеф. Именно плоский теневой рельеф соответствует идеальной сфере.
20. ЧТО НУЖНО ПРИГОТОВИТЬ ДЛЯ ТЕНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ?
Рис. 22. Простая оправа зеркала для теневых испытаний.
Прежде чем мы приступим на практике к первым теневым испытаниям зеркала, надо изготовить простое приспособление, без которого испытания превратятся в настоящую пытку. Это оправа для зеркала. Она служит для того, чтобы удерживать зеркало в вертикальном положении, и позволяет наклонять его в небольших пределах (рис. 22). Две взаимно перпендикулярные доски скреплены так, что нижний край вертикальной доски слегка выступает. На свободном конце горизонтальной доски привернем парой коротких шурупов или прибьем гвоздями 3--миллиметровую пластину из стали или латуни; если пластина из алюминия, то она должна быть потолще.
В пластине просверлим отверстие и нарежем резьбу. В это отверстие ввернем винт, который пропустим насквозь через доску. Теперь наше приспособление опирается на края вертикальной доски и на кончик винта. Вращая винт в ту или иную сторону, мы сможем в небольших пределах наклонять вертикальную доску, а вместе с ней и зеркало. В вертикальную доску вобьем два гвоздя, к которым привяжем широкую тесьму. Длина тесьмы должна быть такой, чтобы зеркало, вложенное в нее, оказалось примерно в середине доски. Чтобы зеркало не опрокидывалось, в торце доски вобьем еще по гвоздику, к которым привяжем резинку. Эта резинка будет прижимать зеркало к доске. Итак, в нашем распоряжении оказалась довольно удобная оправа зеркала, которая позволит вам слегка его наклонять и поворачивать. 21. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ТРЕНИРОВКА
Прежде всего немного усовершенствуем искусственную звезду. В трубку диаметром около 10 мм вставим патрончик от елочной гирлянды так, чтобы ввернутая лампочка оказалась в самом начале трубки. Далее установим зеркало в оправе на устойчивый стол и отмерим от его поверхности вдоль оптической оси (оси симметрии зеркала) два его фокусных расстояния. Для фокусного расстояния 1200 мм это составит 2400 мм. В этой точке, которая является центром кривизны поверхности зеркала, установим трубку с лампочкой, чтобы она освещала зеркало. Затемним комнату шторами или займемся этим вечером в неосвещенной комнате. Поворачивая и наклоняя зеркало, а также передвигая вправо или влево лампочку, добьемся того, чтобы изображение волоска лампочки оказалось рядом с самой лампочкой. Для этого рядом с трубкой установим белый экран шириной 4--5 см и высотой 10--15 см с небольшим отверстием в верхней части диаметром 5--6 мм. Когда изображение волоска лампочки окажется на экране, двигая экран взад и вперед, добьемся того, чтобы изображение волоска оказалось достаточно резким. Наклоняя зеркало и перемещая экран, добьемся того, чтобы изображение волоска "проваливалось" в отверстие. Расположившись сзади экрана, будем смотреть через отверстие на зеркало. Мы увидим сквозь отверстие изображение волоска, которое "висит" в нем. Не теряя это изображение из виду, будем приближать постепенно глаз к отверстию в экране. При этом мы заметим, что видимые размеры волоска растут. Приближаем глаз до тех пор, пока яркое изображение не заполнит всю поверхность зеркала. Это означает, что изображение волоска оказалось на хрусталике глаза и все без исключения лучи, отраженные зеркалом, собираются в глазу. Вообще же волосок лампочки --слишком грубый объект для таких испытаний. Поэтому продолжим усовершенствование искусственной зв