Как делают стекла для самых больших телескопов⁠⁠

Неподалеку от Москвы, чуть в стороне от небольшого городка Лыткарино, над подмосковным лесом возвышается массивная 72-метровая башня, на стене которой изображен символ, очень напоминающий знаменитое «Всевидящее око». Но, конечно же, мистика к этому не имеет никакого отношения — это логотип Лыткаринского завода оптического стекла.

Хотя и «Всевидящее око» было бы здесь весьма уместно: ведь именно на ЛЗОС, входящем сейчас в состав холдинга «Швабе», изготавливают зеркала для самых больших телескопов мира, с помощью которых человечество заглядывает на миллиарды световых лет в глубины нашей Вселенной. Впрочем, на ЛЗОС делают не только зеркала и не только для телескопов: ассортимент оптических материалов, элементов и приборов насчитывает не одну сотню позиций.

На этом огромном станке сейчас установлено для реставрации шестиметровое первое главное зеркало (вверху) российского телескопа БТА (на самом телескопе используется второе главное зеркало). С его поверхности было удалено 8 мм стекла, в результате чего зеркало массой 42 т «похудело» на 500 кг. После переполировки зеркало будет возвращено в обсерваторию в Нижнем Архызе.

Все начинается с горшка

Путь любого оптического элемента начинается со стекловаренного сосуда (горшка). Это большой керамический тигель объемом 500 либо 700 л, который предварительно высушивают и обжигают в специальной печи («каленнице») при температуре около 1000 °C. После такого обжига сосуд переносят в газовую горшковую печь, разогревают до определенной температуры, а затем загружают стеклобой (остатки стекла того же сорта от предыдущих варок). Это стекло расплавляется и растекается по стенкам горшка, обеспечивая дополнительную защиту при варке.

Затем в стекловаренный сосуд загружают шихту — порошкообразную смесь оксида кремния (кварцевого песка), оксида свинца, борной кислоты, оксида (или гидроксида) алюминия и других ингредиентов (точная рецептура зависит от сорта стекла), после чего начинается процесс варки, продолжающийся обычно несколько суток.

Температура варки для различных сортов стекла различна: флинты (стекла с высоким показателем преломления, содержащие оксиды свинца) низкотемпературные, они варятся при 1400 °C, а кроны (натриево-силикатные стекла с низким показателем преломления) требуют более высоких температур, достигающих 1570 °C.

В процессе варки расплавленное стекло непрерывно перемешивают с помощью специальной керамической мешалки, чтобы стекло получилось гомогенным по химическому составу.

После обжига внутренние стенки горшка «обмазывают» стеклобоем – остатками от предыдущих варок того же сорта стекла. Это обеспечивает дополнительную защиту стенок горшка от агрессивной среды во время варки. Горшок обычно используется многократно – в нем можно варить стекло того же состава до 12 раз. А вот при варке высокотемпературных стекол горшка хватает всего на один раз.

Ничего лишнего

«Оптическое стекло должно содержать очень мало включений, буквально единицы на килограмм, — говорит начальник бюро стекловарения ЛЗОС Михаил Гулюкин. — Но при варке в стекломассе образуется множество пузырьков. Крупные пузыри всплывают, а вот мелкие нужно удалить. Для этого в конце варки на этапе так называемого осветления расплавленную стекломассу размешивают деревянной чуркой, вымоченной в воде, или, как делали это наши деды, сырой картофелиной.

Вода закипает, образуется много водяного пара и других газов, расплав бурлит, крупные пузыри поднимаются вверх, захватывая мелкие пузырьки и другие включения, — происходит, выражаясь техническим языком, процесс барботирования. Это бурление перемешивает расплав, помогая его гомогенизировать, то есть сделать однородным по составу и по температуре».

Когда процесс варки закончен, шаржирный кран вынимает горшок с расплавленным стеклом из печи и переносит его к месту литья в форму.

В процессе варки несколько раз берутся пробы стекломассы, которые контролируются на наличие включений. «Когда масса разогрета и светится, включения могут быть видны даже невооруженным глазом, — объясняет Михаил Гулюкин. — Но в любом случае после остывания образцы проверяют в лаборатории на специальном приборе — нефелометре, который измеряет рассеяние света на включениях в составе стекла». В процессе же самой варки в газовых горшковых печах автоматически контролируется более 20 параметров. Не менее строгий контроль и на других печах завода — с электрическим индукционным нагревом и небольших ванных.

Даже во время заполнения литейной формы важно не допускать неравномерного охлаждения различных областей, иначе в стекле появятся свили – оптические неоднородности, области с различными показателями преломления.

Медленно остыть

Когда варка заканчивается (на ЛЗОС говорят «закрывается»), к печи подъезжает шаржирный кран, предназначенный для загрузки и выгрузки горшков, и с помощью манипулятора вынимает горшок из печи. Горшок «отряхивают» от прилипшего к его дну песка (на подушке из которого он стоит в печи), а также удаляют «стяжку» — слегка остывшую верхнюю «корочку», в которой скапливается большинство включений, захваченных всплывающими пузырями. После этого расплавленное стекло выливают в форму.

Отжиг, то есть контролируемое охлаждение стеклянной отливки, – очень медленный процесс. Заготовки для крупных деталей, таких как зеркала из астроситалла диаметром 2–4 м, могут остывать в специальной печи по заданной программе на протяжении одного-двух лет.

«Включения не единственные дефекты оптического стекла, — говорит Михаил Гулюкин. — Если стекломассу плохо перемешать, то из-за неравномерности химического состава в стеклянной отливке образуются свили — области с другим показателем преломления. Оптические неоднородности в стекле могут возникнуть и по причине неравномерного охлаждения. Более того, при быстром охлаждении в стекле возникают значительные механические напряжения, которые могут просто разрушить стеклянную отливку».

Поэтому сразу после отлива форму с горячим полужидким стеклом помещают в специальную печь, где начинается грубый отжиг — так называется процесс очень медленного (буквально несколько градусов в сутки) контролируемого равномерного охлаждения отливки. Он занимает недели, порой месяцы, но затраты времени оправданны: при таком процессе внутренние напряжения минимизируются, так что по окончании отжига отливка остается целой (внутренние напряжения также влияют на оптическую однородность стекла).

Выборка с задней поверхности с помощью станка с ЧПУ, управляющего алмазной фрезой, позволяет облегчить деталь по сравнению со сплошной на 80%, превратив массив тяжелой стеклокерамики в ажурную, но жесткую конструкцию.

Тонкая наводка

После грубого отжига производится контроль отливки на специальном приборе — поляриметре, позволяющем визуализировать картину внутренних напряжений в поляризованном свете. Из отливки выбирают область с наименьшим количеством дефектов, вырезают ее и приступают к финальной стадии термообработки, тонкому отжигу.

Эта операция занимает около месяца, ее задача — придать заготовке равновесную структуру, чтобы температурные колебания как можно меньше влияли на оптические свойства. Для некоторых оптических материалов (в частности, стекол для светофильтров) во время тонкого отжига проводится операция «наводки» — специальная термообработка для создания упорядоченных структур, придающих стеклу нужные спектральные характеристики.

Рабочая поверхность зеркала после полировки контролируется с помощью интерферометра. На основе полученной интерферограммы создается программа управления для станка с ЧПУ. Точность обработки зеркал может составлять порядка десятков нанометров.

При охлаждении крупных (более 50 см) заготовок для деталей астрономических инструментов грубый и тонкий отжиг обычно совмещают. Для зеркал телескопов оптическая однородность материала отходит на второй план по сравнению с термомеханическими свойствами. Чтобы температура меньше влияла на форму зеркал, их изготавливают не из стекла, а из астроситалла, прочного стеклокерамического материала с почти нулевым коэффициентом температурного расширения.

Часть зеркал, установленных на стендах в цехе финишной обработки, предназначены не для телескопов – это вспомогательные зеркала систем оптического контроля изготавливаемой оптики.

Надежный тыл

Но пока что мы имели дело только с блоком из оптического стекла или стеклокерамики. Чтобы превратить его в деталь оптического инструмента, нужно придать его рабочей поверхности нужную форму (для телескопов обычно вогнутую сферическую или асферическую). «Обработку крупных зеркал начинают с задней поверхности, — рассказывает инженер-конструктор конструкторско-технологического бюро НПК-95 (научно-производственного комплекса) крупногабаритной оптики ЛЗОС Николай Добриков. — Задача — получить не просто зеркало, а максимально легкое и максимально жесткое зеркало, поэтому мы на станках с ЧПУ с помощью алмазных фрез выбираем лишний материал с тыльной поверхности, создавая вместо сплошного массива ажурную жесткую несущую структуру. Сейчас таким способом мы можем облегчить зеркало на 80% по сравнению со сплошным». Заднюю поверхность шлифуют или полируют — иногда на нее крепят дополнительные датчики или оптические элементы, необходимые для юстировки.

Башня, возвышающаяся над территорией завода на семьдесят с лишним метров, построена вовсе не для красоты. Внутри сооружения расположена вакуумная камера высотой 72 м для измерения различных характеристик крупных длиннофокусных зеркал. Испытания в вакууме позволяют нивелировать влияние потоков воздуха и пыли и тем самым значительно повысить точность измерений.

Свет мой, зеркальце

Обработка поверхности начинается с придания ей первоначальной формы — вогнутой сферической или асферической — в виде небольших ступенек на станках с ЧПУ. Затем ступеньки сошлифовываются, рабочую поверхность постепенно выравнивают, переходя на более мелкий абразив, и полируют. «Отклонение от заданной поверхности для зеркала телескопа должно быть порядка десятков нанометров, — говорит Николай Добриков. — Поэтому после каждого этапа полировки точность обработки контролируется интерферометром, а полученная интерферограмма расшифровывается в карту поверхности, на основании которой составляется программа обработки для станка с ЧПУ».

Полировать зеркала можно не только механически. В соседнем цехе расположена установка ионно-лучевой обработки, которая полирует поверхность пучком ионов аргона и ксенона. А рядом — камера напыления покрытий, где на уже готовую плоскость зеркала с помощью магнетронного распыления в скрещенных электрических и магнитных полях наносят многослойные (сотни слоев толщиной порядка 2 нм каждый) покрытия, которые и будут отражать свет далеких звезд.

Я не только копирую репортажи, но и снимаю их сам. Все снятое выкладываю здесь и моём ютюб-канале - youtube.com/kaketosdelano. Чтобы смотреть и читать познавательные статьи и ролики можете подписаться тут или там, как вам удобно.