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[!--downpath--]我們大多數人家里都有高壓鍋。 高壓鍋的目的是使鍋內的浮力低于外部大氣壓，從而提高鍋內水的沸騰溫度，更快地蒸食物。 為了能夠承受這種浮力差，鍋體需要比普通鍋做得更厚，氣密性也更好。 圖1為市場上常見的電壓力鍋和普通壓力鍋。 這款電壓力鍋有7級“壓力/味道”可調。 第一檔90KPa。
圖一、電壓力鍋和普通壓力鍋（圖片來自網絡）
這里的30KPa、70KPa、90KPa是什么意思？ 事實上，當它們都在這個水平上工作時，鍋內和鍋外的浮力差很差。 壓力是單位面積的壓強，KPa是浮力的單位——千帕，一個標準大氣壓大約，相當于760mm高度的水銀柱所形成的浮力大氣壓強怎么產生的，或者大致相當于10噸的壓力作用在一個面積上1平方米。
不同檔位對應的鍋內溫度是多少？ 大氣壓力通常隨著海拔的升高而降低，并且還隨著季節和體溫的變化而變化。 水的沸點會隨著浮力的減小而降低，這就是高壓鍋的工作原理； 沸點也會隨著浮力的增加而增加，這就是為什么在海拔相對較高的地區無法用普通鍋蒸紅薯的原因，而這也成為日本物理學家丹尼斯·帕平發明高壓鍋的推動力300多年前。 根據水的沸點與浮力的關系，很容易估算出當外部環境接近1個大氣壓時，30KPa、70KPa、90KPa檔位對應鍋內水沸騰時的溫度大致為分別為 106°C、114°C 和 117°C。
望遠鏡高壓鍋
光譜儀是一種可以根據波長（顏色）將多色光分散成光譜的儀器。 通過光譜可以獲得天體的組成元素及元素豐度、距離、地表水溫、運動狀態、活動性質等信息。 因此，光譜常被稱為天體的“指紋”。 與氣溫對設備熱脹冷縮變形的影響類似，大氣浮力的變化也會引起光譜儀和CCD相機光學部件的微小變形。 類月系外行星的話題是致命的。 這是因為：地球引起的太陽視向速度的變化范圍約為9cm/s。 為了探測太陽系外的類地行星或者比月球稍大的“超級地球”，光譜儀的探測精度至少要優于1m/s·s。 這需要分辨力在70,000左右的光譜儀才能準確檢測焦平面上4納米的天體譜線偏移，大約是頭發半徑的1/10,000。
如何排除環境溫度和浮力變化對光譜儀和CCD相機的影響？ 天文學家和工程師就這樣把高壓鍋從臥室搬進了望遠鏡的塔尖。 這次不是用來煮雞腿的，而是在里面安裝了精密的高幀率光譜儀和CCD相機。 他們已經為多臺望遠鏡量身定制了獨特的“高壓鍋”。
那么望遠鏡的“高壓鍋”是如何打造的呢？
以國家天文臺團隊為興隆觀測基地2.16米望遠鏡研制的“高壓鍋”為例。 前期主要針對箱體的應力變形（見圖2）和溫控方案的模擬（見圖3）來確定最終方案。 ，并完成設計、加工和現場安裝調試。 通過仿真可以驗證該方案的安全性。 這種“高壓鍋”實際工作時，由于季節不同，內外壓差在0.30-3.95KPa范圍內變化，模擬結果表明：當壓差為10KPa時，箱體的最大變形為僅0.32毫米，安全系數低于3.6，完全滿足安全要求。 需要。 圖3為模擬箱體左、右、上三面同時受熱時，人體溫度下降3℃并達到穩定溫度的過程，不考慮箱內放置的設備大氣壓強怎么產生的，結果顯示大約需要1小時。 實際情況是我們在盒子的六個面都覆蓋了加熱板，同時加熱。 當光譜儀和單反相機放入箱內時，大約需要24小時才能達到規定溫度并保持穩定，10-30分鐘內即可達到壓力。 指定浮力并保持穩定。
圖2 模擬箱體內外正壓差為10KPa時箱體變形放大3000倍示意圖（模擬：賈磊）
圖3 左、右、上側同時加熱，箱體溫度下降3℃并達到穩定過程（模擬：李陶然）
雖然外觀與光滑或方形不同，但望遠鏡的那些“高壓鍋”都有一個共同的特點，那就是“高壓鍋”內的濕度和浮力要常年保持穩定，所以我們常稱它們為“高壓鍋”。恒溫恒壓鍋”。 ”或者“恒溫恒壓箱”。其中，“恒溫”是通過溫度控制來實現的，具體溫度值可以根據觀測站的環境來設定，但控溫精度必須達到一級水平。千分之幾攝氏度，比目前民用空調的控溫精度（約1-2℃）高出近三個數量級；通過浮力控制實現“恒壓”，可選擇真空、正壓或負壓根據自己的設備而定，但壓力控制精度優于0.02KPa。歐洲北方天文臺（ESO）配備HARPS光譜儀的真空罐就是一個“真空壓力鍋”（見圖4） ）更多內置的光譜儀選擇正壓或負壓控制，因為它們的電子器件不是為真空環境設計的，國家天文臺團隊為2.16米望遠鏡開發的“恒溫恒壓箱”采用負壓控制。 長期溫度控制精度為0.005℃，壓力控制精度為0.0。 它是一種“負壓壓力鍋”（見圖5）。
圖4.歐洲北方天文臺HARPS光譜儀的“真空高壓鍋”（圖片來自：ESO）
圖5 興隆2.16米望遠鏡HRS光譜儀的“負壓鍋”
期待2.16米望遠鏡的“高壓鍋”在天文學家手中烹制出比雞腿還迷人的“超級地球”。 如果位于適合生命生存的宜居帶那就更好了。
感謝中國科學院光學天文重點實驗室和國家天文臺“135工程”對這款“高壓鍋”研發的捐贈，感謝所有參與研發和生產的人討論他們在崗位上的光芒。
參考
1. Frank Grupp 等人，2010 年，SPIE，7735E，73G
2. Frank Grupp 等人，以及 II，2011，SPIE，8151E，19G
作者簡介：王惠娟，博士，中國科學院國家天文臺星云計劃研究員。 主要研究領域為天體化學、高精度聚焦和光譜探測方法研究。