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[!--downpath--]我們大多數(shù)人家里都有高壓鍋。 高壓鍋的目的是使鍋內(nèi)的浮力低于外部大氣壓，從而提高鍋內(nèi)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?zhàn)龅酶瘢瑲饷苄砸哺谩?圖1為市場(chǎng)上常見(jiàn)的電壓力鍋和普通壓力鍋。 這款電壓力鍋有7級(jí)“壓力/味道”可調(diào)。 第一檔90KPa。
圖一、電壓力鍋和普通壓力鍋（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
這里的30KPa、70KPa、90KPa是什么意思？ 事實(shí)上，當(dāng)它們都在這個(gè)水平上工作時(shí)，鍋內(nèi)和鍋外的浮力差很差。 壓力是單位面積的壓強(qiáng)，KPa是浮力的單位——千帕，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大約，相當(dāng)于760mm高度的水銀柱所形成的浮力大氣壓強(qiáng)怎么產(chǎn)生的，或者大致相當(dāng)于10噸的壓力作用在一個(gè)面積上1平方米。
不同檔位對(duì)應(yīng)的鍋內(nèi)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(jié)和體溫的變化而變化。 水的沸點(diǎn)會(huì)隨著浮力的減小而降低，這就是高壓鍋的工作原理； 沸點(diǎn)也會(huì)隨著浮力的增加而增加，這就是為什么在海拔相對(duì)較高的地區(qū)無(wú)法用普通鍋蒸紅薯的原因，而這也成為日本物理學(xué)家丹尼斯·帕平發(fā)明高壓鍋的推動(dòng)力300多年前。 根據(jù)水的沸點(diǎn)與浮力的關(guān)系，很容易估算出當(dāng)外部環(huán)境接近1個(gè)大氣壓時(shí)，30KPa、70KPa、90KPa檔位對(duì)應(yīng)鍋內(nèi)水沸騰時(shí)的溫度大致為分別為 106°C、114°C 和 117°C。
望遠(yuǎn)鏡高壓鍋
光譜儀是一種可以根據(jù)波長(zhǎng)（顏色）將多色光分散成光譜的儀器。 通過(guò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)、活動(dòng)性質(zhì)等信息。 因此，光譜常被稱為天體的“指紋”。 與氣溫對(duì)設(shè)備熱脹冷縮變形的影響類似，大氣浮力的變化也會(huì)引起光譜儀和CCD相機(jī)光學(xué)部件的微小變形。 類月系外行星的話題是致命的。 這是因?yàn)椋旱厍蛞鸬奶?yáng)視向速度的變化范圍約為9cm/s。 為了探測(cè)太陽(yáng)系外的類地行星或者比月球稍大的“超級(jí)地球”，光譜儀的探測(cè)精度至少要優(yōu)于1m/s·s。 這需要分辨力在70,000左右的光譜儀才能準(zhǔn)確檢測(cè)焦平面上4納米的天體譜線偏移，大約是頭發(fā)半徑的1/10,000。
如何排除環(huán)境溫度和浮力變化對(duì)光譜儀和CCD相機(jī)的影響？ 天文學(xué)家和工程師就這樣把高壓鍋從臥室搬進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡的塔尖。 這次不是用來(lái)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(jī)。 他們已經(jīng)為多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡量身定制了獨(dú)特的“高壓鍋”。
那么望遠(yuǎn)鏡的“高壓鍋”是如何打造的呢？
以國(guó)家天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)為興隆觀測(cè)基地2.16米望遠(yuǎn)鏡研制的“高壓鍋”為例。 前期主要針對(duì)箱體的應(yīng)力變形（見(jiàn)圖2）和溫控方案的模擬（見(jiàn)圖3）來(lái)確定最終方案。 ，并完成設(shè)計(jì)、加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。 通過(guò)仿真可以驗(yàn)證該方案的安全性。 這種“高壓鍋”實(shí)際工作時(shí)，由于季節(jié)不同，內(nèi)外壓差在0.30-3.95KPa范圍內(nèi)變化，模擬結(jié)果表明：當(dāng)壓差為10KPa時(shí)，箱體的最大變形為僅0.32毫米，安全系數(shù)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(shí)受熱時(shí)，人體溫度下降3℃并達(dá)到穩(wěn)定溫度的過(guò)程，不考慮箱內(nèi)放置的設(shè)備大氣壓強(qiáng)怎么產(chǎn)生的，結(jié)果顯示大約需要1小時(shí)。 實(shí)際情況是我們?cè)诤凶拥牧鶄€(gè)面都覆蓋了加熱板，同時(shí)加熱。 當(dāng)光譜儀和單反相機(jī)放入箱內(nèi)時(shí)，大約需要24小時(shí)才能達(dá)到規(guī)定溫度并保持穩(wěn)定，10-30分鐘內(nèi)即可達(dá)到壓力。 指定浮力并保持穩(wěn)定。
圖2 模擬箱體內(nèi)外正壓差為10KPa時(shí)箱體變形放大3000倍示意圖（模擬：賈磊）
圖3 左、右、上側(cè)同時(shí)加熱，箱體溫度下降3℃并達(dá)到穩(wěn)定過(guò)程（模擬：李陶然）
雖然外觀與光滑或方形不同，但望遠(yuǎn)鏡的那些“高壓鍋”都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是“高壓鍋”內(nèi)的濕度和浮力要常年保持穩(wěn)定，所以我們常稱它們?yōu)椤案邏哄仭薄：銣睾銐哄仭薄? ”或者“恒溫恒壓箱”。其中，“恒溫”是通過(guò)溫度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體溫度值可以根據(jù)觀測(cè)站的環(huán)境來(lái)設(shè)定，但控溫精度必須達(dá)到一級(jí)水平。千分之幾攝氏度，比目前民用空調(diào)的控溫精度（約1-2℃）高出近三個(gè)數(shù)量級(jí)；通過(guò)浮力控制實(shí)現(xiàn)“恒壓”，可選擇真空、正壓或負(fù)壓根據(jù)自己的設(shè)備而定，但壓力控制精度優(yōu)于0.02KPa。歐洲北方天文臺(tái)（ESO）配備HARPS光譜儀的真空罐就是一個(gè)“真空壓力鍋”（見(jiàn)圖4） ）更多內(nèi)置的光譜儀選擇正壓或負(fù)壓控制，因?yàn)樗鼈兊碾娮悠骷皇菫檎婵窄h(huán)境設(shè)計(jì)的，國(guó)家天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)為2.16米望遠(yuǎn)鏡開(kāi)發(fā)的“恒溫恒壓箱”采用負(fù)壓控制。 長(zhǎng)期溫度控制精度為0.005℃，壓力控制精度為0.0。 它是一種“負(fù)壓壓力鍋”（見(jiàn)圖5）。
圖4.歐洲北方天文臺(tái)HARPS光譜儀的“真空高壓鍋”（圖片來(lái)自：ESO）
圖5 興隆2.16米望遠(yuǎn)鏡HRS光譜儀的“負(fù)壓鍋”
期待2.16米望遠(yuǎn)鏡的“高壓鍋”在天文學(xué)家手中烹制出比雞腿還迷人的“超級(jí)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(guó)科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家天文臺(tái)“135工程”對(duì)這款“高壓鍋”研發(fā)的捐贈(zèng)，感謝所有參與研發(fā)和生產(chǎn)的人討論他們?cè)趰徫簧系墓饷ⅰ?span style="display:none">umj物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
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(jiǎn)介：王惠娟，博士，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)星云計(jì)劃研究員。 主要研究領(lǐng)域?yàn)樘祗w化學(xué)、高精度聚焦和光譜探測(cè)方法研究。