1. Все починається з горщика
2. Нічого зайвого
3. повільно охолонути
4. тонка наводка
5. надійний тил
6. Свет мой, зеркальце

Популярна механіка »побувала на Литкарінскій заводі оптичного скла, де роблять дзеркала для найбільших світових телескопів.

Неподалік від Москви, трохи в стороні від невеликого містечка Литкаріно, над підмосковним лісом підноситься масивна 72-метрова вежа, на стіні якої зображений символ, дуже нагадує знамените «Всевидяче око». Але, звичайно ж, містика до цього не має ніякого відношення - це логотип Литкарінскій заводу оптичного скла. Хоча і «Всевидяче око» було б тут дуже доречно: адже саме на ЛЗОС, що входить зараз до складу холдингу «Швабе», виготовляють дзеркала для найбільших телескопів світу, за допомогою яких людство заглядає на мільярди світлових років в глибини нашого Всесвіту. Втім, на ЛЗОС роблять не тільки дзеркала і не тільки для телескопів: асортимент оптичних матеріалів, елементів і приладів налічує не одну сотню позицій.

Все починається з горщика

Шлях будь-якого оптичного елемента починається з стекловаренного судини (горщика). Це великий керамічний тигель об'ємом 500 або 700 л, який попередньо висушують і обпалюють в спеціальній печі ( «каленніце») при температурі близько 1000 ° C. Після такого випалу посудину переносять в газову Горшкова піч, розігрівають до певної температури, а потім завантажують склобій (залишки скла того ж сорту від попередніх варок). Це скло розплавляється і розтікається по стінках горщика, забезпечуючи додатковий захист при варінні. Потім в скловарної посудину завантажують шихту - порошкоподібну суміш оксиду кремнію (кварцового піску), оксиду свинцю, борної кислоти, оксиду (або гідроксиду) алюмінію та інших інгредієнтів (точна рецептура залежить від сорту скла), після чого починається процес варіння, що триває зазвичай кілька діб . Температура варіння для різних сортів скла різна: флінти (скла з високим показником заломлення, що містять оксиди свинцю) низькотемпературні, вони варяться при 1400 ° C, а крони (натрієво-силікатні скла з низьким показником заломлення) вимагають більш високих температур, що досягають 1570 ° C . У процесі варіння розплавлене скло безперервно перемішують за допомогою спеціальної керамічної мішалки, щоб скло вийшло гомогенним за хімічним складом.

Після випалу внутрішні стінки горщика «обмазують» склобоєм - залишками від попередніх варок того ж сорту скла. Це забезпечує додатковий захист стінок горщика від агресивного середовища під час варіння. Горщик зазвичай використовується багаторазово - в ньому можна варити скло того ж складу до 12 разів. А ось при варінні високотемпературних стекол горщика вистачає всього на один раз.

Нічого зайвого

«Оптичне скло повинно містити дуже мало включень, буквально одиниці на кілограм, - каже начальник бюро скловаріння ЛЗОС Михайло Гулюкін. - Але при варінні в стекломассе утворюється безліч бульбашок. Великі бульбашки спливають, а ось дрібні потрібно видалити. Для цього в кінці варіння на етапі так званого освітлення розплавлену скломасу розмішують дерев'яною чуркою, вимоченої в воді, або, як робили це наші діди, сирої картоплиною. Вода закипає, утворюється багато водяної пари та інших газів, розплав вирує, великі бульбашки піднімаються вгору, захоплюючи дрібні бульбашки і інші включення, - відбувається, виражаючись технічною мовою, процес барботування. Це бурління перемішує розплав, допомагаючи його гомогенізувати, тобто зробити однорідним за складом і по температурі ».

Коли процес варіння закінчений, шаржірний кран виймає горщик з розплавленим склом з печі і переносить його до місця лиття в форму.

У процесі варіння кілька разів беруться проби скломаси, які контролюються на наявність включень. «Коли маса розігріта і світиться, включення яких неможливо побачити навіть неозброєним оком, - пояснює Михайло Гулюкін. - Але в будь-якому випадку після охолодження зразки перевіряють у лабораторії на спеціальному приладі - нефелометрія, який вимірює розсіювання світла на включеннях в складі скла ». У процесі ж самої варіння в газових горшкових печах автоматично контролюється понад 20 параметрів. Не менш суворий контроль і на інших печах заводу - з електричним індукційним нагріванням і невеликих ванних.

Навіть під час заповнення ливарної форми важливо не допускати нерівномірного охолодження різних областей, інакше в склі з'являться звили - оптичні неоднорідності, області з різними показниками заломлення.

повільно охолонути

Коли варіння закінчується (на ЛЗОС кажуть «закривається»), до печі під'їжджає шаржірний кран, призначений для завантаження і вивантаження горщиків, і за допомогою маніпулятора виймає горщик з печі. Горщик «обтрушують» від прилип до його дну піску (на подушці з якого він стоїть в печі), а також видаляють «стяжку» - злегка остигнула верхню «корочку», в якій накопичується більшість включень, захоплених спливаючими бульбашками. Після цього розплавлене скло виливають у форму.

Відпал, тобто контрольоване охолоджування скляній виливки, - дуже повільний процес. Заготовки для великих деталей, таких як дзеркала з астросіталла діаметром 2-4 м, можуть остигати в спеціальній печі за заданою програмою протягом одного-двох років.

«Включення не єдині дефекти оптичного скла, - каже Михайло Гулюкін. - Якщо стекломассу погано перемішати, то через нерівномірність хімічного складу в скляній литві утворюються звили - області з іншим показником заломлення. Оптичні неоднорідності в склі можуть виникнути і через нерівномірного охолодження. Більш того, при швидкому охолодженні в склі виникають значні механічні напруги, які можуть просто зруйнувати скляну виливок ». Тому відразу після відливу форму з гарячим полужидким склом поміщають в спеціальну піч, де починається грубий отжиг - так називається процес дуже повільного (буквально кілька градусів на добу) контрольованого рівномірного охолодження виливки. Він займає тижні, деколи місяці, але витрати часу виправдані: при такому процесі внутрішня напруга мінімізуються, так що після закінчення відпалу виливок залишається цілою (внутрішня напруга також впливають на оптичну однорідність скла).

Вибірка з задньої поверхні за допомогою верстата з ЧПУ, керуючого діамантовою фрезою, дозволяє полегшити деталь в порівнянні з суцільною на 80%, перетворивши масив важкої склокераміки в ажурну, але жорстку конструкцію.

тонка наводка

Після грубого відпалу проводиться контроль виливки на спеціальному приладі - поляриметрії, що дозволяє візуалізувати картину внутрішньої напруги в поляризованому світлі. З виливки вибирають область з найменшою кількістю дефектів, вирізують її і приступають до фінальної стадії термообробки, тонкому відпалу. Ця операція займає близько місяця, її завдання - надати заготівлі рівноважну структуру, щоб температурні коливання якомога менше впливали на оптичні властивості. Для деяких оптичних матеріалів (зокрема, стекол для світлофільтрів) під час тонкого відпалу проводиться операція «наводки» - спеціальна термічна обробка для створення впорядкованих структур, які надають склу потрібні спектральні характеристики.

Робоча поверхня дзеркала після полірування контролюється за допомогою інтерферометра. На основі отриманої інтерферограмми створюється програма управління для верстата з ЧПУ. Точність обробки дзеркал може складати близько десятків нанометрів.

При охолодженні великих (понад 50 см) заготовок для деталей астрономічних інструментів грубий і тонкий отжиг зазвичай поєднують. Для дзеркал телескопів оптична однорідність матеріалу відходить на другий план у порівнянні з термомеханічними властивостями. Щоб температура менше впливала на форму дзеркал, їх виготовляють не зі скла, а з астросіталла, міцного стеклокерамического матеріалу з майже нульовим коефіцієнтом температурного розширення.

Частина дзеркал, встановлених на стендах в цеху фінішної обробки, призначені не для телескопів - це допоміжні дзеркала систем оптичного контролю продукції, що виготовляється оптики.

надійний тил

Але поки що ми мали справу тільки з блоком з оптичного скла або склокераміки. Щоб перетворити його в деталь оптичного інструменту, потрібно надати його робочої поверхні потрібну форму (для телескопів зазвичай увігнуту сферичну або асферическую). «Обробку великих дзеркал починають з задньої поверхні, - розповідає інженер-конструктор конструкторсько-технологічного бюро НПК-95 (науково-виробничого комплексу) великогабаритної оптики ЛЗОС Микола Добриков. - Завдання - отримати не просто дзеркало, а максимально легке і максимально жорстке дзеркало, тому ми на верстатах з ЧПУ за допомогою алмазних фрез вибираємо зайвий матеріал з тильної поверхні, створюючи замість суцільного масиву ажурну жорстку несучу структуру. Зараз таким способом ми можемо полегшити дзеркало на 80% в порівнянні з суцільним ». Задню поверхню шліфують або полірують - іноді на неї кріплять додаткові датчики або оптичні елементи, необхідні для юстування.

Вежа, що височіє над територією заводу на сімдесят з гаком метрів, побудована зовсім не для краси. Всередині споруди розташована вакуумна камера висотою 72 м для вимірювання різних характеристик великих довгофокусних дзеркал. Випробування в вакуумі дозволяють нівелювати вплив потоків повітря і пилу і тим самим значно підвищити точність вимірювань.

Свет мой, зеркальце

Обробка поверхні починається з надання їй початкової форми - увігнутою сферичною або асферичною - у вигляді невеликих сходинок на верстатах з ЧПУ. Потім сходинки сошліфовивать, робочу поверхню поступово вирівнюють, переходячи на більш дрібний абразив, і полірують. «Відхилення від заданої поверхні для дзеркала телескопа має бути порядку десятків нанометрів, - каже Микола Добриков. - Тому після кожного етапу полірування точність обробки контролюється інтерферометром, а отримана інтерферограмма розшифровується в карту поверхні, на підставі якої складається програма обробки для верстата з ЧПУ ».

Полірувати дзеркала можна не тільки механічно. У сусідньому цеху розташована установка іонно-променевої обробки, яка полірує поверхню пучком іонів аргону і ксенону. А поруч - камера напилення покриттів, де на вже готову площину дзеркала за допомогою магнетронного розпилення в схрещених електричних і магнітних полях наносять багатошарові (сотні шарів товщиною близько 2 нм кожен) покриття, які і будуть відбивати світло далеких зірок.

Стаття «Всевидяче око» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2015 ).