Главная arrow Поиск
Select language:
 ENG
 RUS
Крупнейший производитель оптического стекла на территории РФ
Качество прежде всего !
Развитие методов и средств дилатометрических измерений для сертификации материалов с малым ТКЛР Печать E-mail

И.Р.Галявов, А.П.Патрикеев, О.В.Понин, А.А.Шаров1, Т.А.Компан2
1ОАО "Лыткаринский завод оптического стекла" г. Лыткарино Моск.обл.
2ГУП "ВНИИМ им.Д.И.Менделеева", Санкт-Петербург.

     Решение задач по созданию зеркал современных больших астрономических телескопов требует применения материалов с возможно меньшим значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). При этом, исходя из условий получения и сохранения требуемого качества изображения системы к материалу предъявляются жесткие требования как по абсолютному значению среднего ТКЛР, так и по однородности ТКЛР в пределах заготовки (разность значений ТКЛР в различных точках заготовки). Для достоверного определения и учета фактического значения ТКЛР необходима измерительная аппаратура соответствующего уровня точности.

     В частности, эта задача стала актуальной при участии ОАО "ЛЗОС" в проекте "Южно-Африканский Большой телескоп" (SALT). Проект SALT выбрал стекло-керамический материал cиталл марки СО-115М, производимый ОАО "ЛЗОС" с начала 1960-х годов, для изготовления главного зеркала, состоящего из 91 гексагонального сегмента размером 1м. Многолетний опыт формообразования оптических компонентов показал надежность и эффективность ситалла при создании астрономических и космических инструментов с монолитными, облегченными и тонкими крупногабаритными оптическими элементами.

     На ОАО "ЛЗОС" накоплен большой опыт по изготовлению оптики крупных астрономических телескопов, высокоточному автоматизированному формообразованию оптических асферических поверхностей облегченных, тонких и внеосевых деталей с произвольной конфигурацией внешнего периметра и отверстий. Только за последние 7 лет ЛЗОС изготовил целый ряд зеркал телескопов 2-3 метрового класса для ведущих европейских обсерваторий с современными требованиями к качеству и конфигурации поверхности.

     До последнего времени в производственной измерительной практике ОАО "ЛЗОС" для контроля ТКЛР использовались интерференционные дилатометры, построенные в соответствии с ОСТ 3-192-78 и обеспечивающие определение ТКЛР с погрешностью +/-50.10-9 1/0С, что является недостаточным для оценки ряда малорасширяющихся материалов (таких, например, как астроситаллы), фактическое значение ТКЛР которых часто оказывается меньше погрешности контроля.

     Для создания средств измерений, удовлетворяющих теоретически обоснованным требованиям и обеспечивающих высокую производительность измерений, были проведены работы по модернизации имеющихся на ЛЗОС дилатометров с целью уменьшения их погрешности, а также по созданию дилатометров с принципиально новыми схемами (на основе интерференционного принципа измерений).

     Предварительный теоретический анализ показал, что точность контроля ТКЛР малорасширяющихся материалов, аналогичных ситаллу, определяется, прежде всего, чувствительностью и погрешностью системы измерения линейного удлинения образца. Поэтому в ходе модернизации имеющихся дилатометров основное внимание было уделено совершенствованию интерферометрической системы, включая автоматизацию процесса регистрации и обработки интерференционной картины.

     Схема модернизированного дилатометра приведена на рис.1. Она включает интерферометрическую систему, вакуумную термокамеру, а также систему контроля и управления на базе персонального компьютера.

     Оптическая схема интерферометрической системы остается неизменной - она представляет собой интерферометр типа Физо, образованный двумя плоскими пластинами 1 из плавленого кварца, между которыми располагается образец 2 исследуемого материала, выполненный таким образом, чтобы между пластинами создавался клин. При освещении его параллельным пучком лучей от лазера 3 через оптическую систему 4 наблюдается интерференционная картина полос равной толщины, которые при изменении длины образца в результате его нагревания или охлаждения перемещаются параллельно самим себе.

     Картина полос, изображаемая оптической системой 4 регистрируется при помощи телевизионной камеры 5 на основе ПЗС-приемника, и через устройство видеозахвата 6 в циф6ровом виде передается на персональный компьютер 7. Для обработки изображения, разработано специальное программное обеспечение, основной задачей которой является определение координат интерференционных полос.


рис.1. Схема дилатометра

     Для изменения температуры образца, (в том числе и для достижения температур ниже комнатной) предусмотрена подача паров жидкого азота в соответствующую полость вакуумной термокамеры 8. Регулировка температуры осуществляется изменением тока нагревателя, размещенного в теле термокамеры по программе, задаваемой при помощи универсального устройства контроля и управления температурой 9 типа "Термодат". Обратная связь управляющего устройства осуществляется по датчику (термопаре 10), установленному вблизи нагревательного элемента. "Термодат" осуществляет также контроль температуры по термопаре 11, расположенной вблизи исследуемого образца и ввод информации о температуре в персональный компьютер.

     Аппаратура и программное обеспечение позволяют производить синхронизированный сбор данных об удлинении образца и изменении его температуры и сохранять их в памяти персонального компьютера для последующей обработки. При этом по команде программы производится последовательный захват 5-ти изображений интерференционной картины, который происходит в течении короткого промежутка времени, не превышающего 3сек. Одновременно происходит считывание данных о температуре измерительной термопары. Далее производится цифровая обработка захваченных кадров интерференционной картины, результатом которой является относительная координата соответствующей интерференционной полосы. Усреднение координат полос, полученных по 5-ти изображениям, позволяет уменьшить влияние шумовых и вибрационных воздействий. Усредненные координаты и данные о температуре сохраняются в виде цифровой таблицы и отображаются в виде графика на экране компьютерного монитора. Процесс обработки изображений программой занимает временной промежуток около 30сек, по истечении которого сбор данных повторяется.

     Предварительное тестирование программного обеспечения, проведенное на реальных интерференционных картинах, и данные последующих экспериментов показывают, что достигнутая погрешность измерения удлинения образца, находится в пределах 0,01 доли интерференционной полосы.

     При измерении ТКЛР с использованием интерференционного дилатометра, основанного на абсолютном методе измерений, следует обращать внимание на погрешность измерения удлинения образца исследуемого материала из-за нестабильности частоты излучения лазера.

     Из-за неконтролируемого изменения длины волны лазера интерференционная полоса может сдвинуться. Этот сдвиг соответствует ошибочно измеренному удлинению.

     Отсюда диапазон рассеивания отсчетов удлинения образца из-за нестабильности длины волны можно выразить формулой:

где - относительная нестабильность длины волны; l - длина образца.

     Поэтому в модернизированных дилатометрах используется одночастотный лазер, обеспечивает относительную нестабильность длины волны не хуже 5*10-8, что для образца длиной l=30мм дает значение диапазона рассеивания отсчетов удлинения, равное 1,5нм или приблизительно 0,005 интерференционной полосы.

     Результаты экспериментального исследования модернизированной установки при проведении измерений по абсолютному методу показали, что погрешность измерения ТКЛР в диапазоне (0...20)oС составляет величину порядка 20*10-9 1/oС.

     С целью дальнейшего повышения точности контроля, в частности, при решении задачи определения однородности ТКЛР в пределах заготовки на имеющихся установках наряду с традиционным абсолютным методом контроля был реализован метод дифференциальных измерений, при котором определяется разность ТКЛР двух образцов.

     Для реализации метода изготавливается специальный образец сравнения. Конфигурацию образца сравнения и схему расположения образцов при контроле ТКЛР дифференциальным методом поясняет рис.2. Образец сравнения 1 устанавливается на плоскую полированную поверхность нижней кварцевой пластины 2. На этой же поверхности устанавливается исследуемый образец 3, размещаемый во внутреннем отверстии образца сравнения. На верхний торец образца устанавливается кварцевый клин 4, нижняя (опорная) поверхность которого представляет собой одно из зеркал интерферометра Физо. Другим зеркалом интерферометра служит верхняя полированная плоская поверхность образца сравнения. Таким образом, разность хода лучей в интерферометре определяется разностью между высотой исследуемого образца и высотой образца сравнения, которая может быть весьма малой.

     Таким образом, основное преимущество метода дифференциальных измерений заключается в возможности существенно уменьшить зазор между пластинами интерферометра Физо, не уменьшая при этом общей длины образца. Это позволяет, сохраняя чувствительность к изменению длины образца, существенно сократить влияние на точность измерений ряда факторов, приводящих к снижению точности измерений.


рис.2. Дифференциальный метод контроля ТКЛР

     В частности, влияние нестабильности длины волны излучения лазера уменьшается прямо пропорционально уменьшению разности хода интерферирующих пучков лучей. Влияние колебаний остаточного давления воздуха в вакуумной камере уменьшается в той же степени. Уменьшая интерференционный зазор, мы уменьшаем возможное искривление интерференционных полос, вызванное влиянием аберраций и расфокусировкой оптической системы интерферометра. Можно показать, что влияние наклонов образца в процессе измерения на смещение интерференционных полос тоже снижается с уменьшением величины интерференционного зазора.

     Точность измерений дифференциальным методом тем выше, чем ближе ТКЛР исследуемого образца и образца сравнения; поэтому дифференциальный метод может обеспечить преимущество перед методом абсолютных измерений, прежде всего, при контроле однородности ТКЛР заготовок больших размеров. При этом из каждой варки материала изготавливается один образец сравнения, относительно которого исследуются все остальные образцы.

     Результаты экспериментального исследования модернизированной установки при проведении измерений по дифференциальному методу показали, что погрешность измерения ТКЛР в диапазоне (0...20)oС составляет величину порядка 10*10-9 1/oС.

     Модернизированные дилатометрические установки ЛЗОС в период 2001-2003г.г. успешно использовались для исследования ТКЛР при создании ситалловых заготовок главного зеркала телескопа проекта SALT.

     В рамках проекта SALT на ЛЗОС изготавливались 98 плоскопараллельных гексагональных заготовок сегментов (с учетом запасных). Для определения среднего значения и неоднородности ТКЛР для каждой заготовки производились измерения 18 образцов, выбранных из точек вблизи от плоскостей заготовок - по 9 точек с каждой стороны заготовки. Схема точек, из которых брались образцы, приведена на рис.3.


рис.3. Схема выборки образцов для контроля ТКЛР

     Требования к ТКЛР приведены в таблице 1.

таблица 1. Технические требования на заготовки SALT

параметрзначение, 10-6 1/К
среднее значение ТКЛР для заготовки0+/-0,15
неоднородность (размах значений) ТКЛР по заготовке<0,015

     Образец результатов контроля ТКЛР для одной заготовки приведен на рис.4. Показанный разброс значений ТКЛР по 18-ти образцам, представляющий собой неоднородность ТКЛР, является типичным для всех заготовок, изготовленных в рамках проекта.


рис.4. Результаты измерения ТКЛР 18-ти образцов одной заготовки

     Распределение средних значений ТКЛР по 98 заготовкам проекта SALT приведены на рис.5.


рис.5. Распределение среднего значения ТКЛР по 98 заготовкам

     К настоящему моменту ОАО "ЛЗОС" произвело поставку всех 98 заготовок. 79 сегментов зеркала уже смонтированы в механических элементах телескопа. Фотография частично собранного зеркала приведена на рис.6.


рис.6. Главное зеркало проекта SALT в процессе сборки

     Полное завершение сборки зеркала планируется весной 2005г. параллельно с монтажом остальных компонентов телескопа. Однако уже предварительные наблюдения, проведенные с использованием неполного главного зеркала (такого, как показано на рис.6) показали, что как полученные параметры геометрии поверхности сегментов, так и влияющие на изображение свойства ситалла и, в первую очередь, характеристики ТКЛР, полностью удовлетворяют требованиям и ожиданиям проекта. Это, с одной стороны, подтверждает высокое качество произведенного ОАО "ЛЗОС" ситалла, и, с другой стороны, позволяет уверенно заявлять о предстоящем достижении ожидаемых характеристик телескопа SALT.

     Авторы выражают благодарность специалистам ОАО "ЛЗОС": Аннушкину С.И., Абдулкадырову М.А., Белоусову С.П., Васильеву В.В., Дыкину А.А., Молеву В.И., Симонову П.В., Фокину М.И., Раенкову А.С., Шимарову А.Ю., Шляхтину И.Ю., оказывавшим активную помощь на различных этапах работы по созданию новых средств дилатометрических измерений.

 
 
Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru
ОАО "ЛЗОС" 140080, г.Лыткарино, Мос.обл., Россия, ул.Парковая, д.1.
телефон/факс: (007-495) 552-32-95 / 552-17-90 e-mail: office@lzos.ru
© 2017 ЛЗОС - Лыткаринский Завод Оптического Стекла