倫寶利，秦松年，王建國，范玉峰，徐文博，彭煥文，常亮，王傳軍，辛玉新，易為敏，許玥姮，王雪利，張居甲，李建，和壽圣

(1.中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011；2.中國科學院天體結構與演化重點試驗室，云南 昆明 650011；3.中國科學院大學，北京 100049)

2.4米望遠鏡主鏡鍍膜工藝的研究

倫寶利1，2，3，秦松年1，2，王建國1，2，范玉峰1，2，3，徐文博1，2，彭煥文1，2，3，常亮1，2，王傳軍1，2，辛玉新1，2，易為敏1，2，3，許玥姮1，2，王雪利1，2，張居甲1，2，李建1，2，和壽圣1，2

(1.中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011；2.中國科學院天體結構與演化重點試驗室，云南 昆明 650011；3.中國科學院大學，北京 100049)

利用國內首個自上向下熱蒸發(fā)反射膜的大型鍍膜機ZZS3200，開展了2.4 m望遠鏡主鏡鍍膜工藝的研究。從鍍膜的環(huán)境控制，鍍膜機蒸發(fā)源布置，保護膜的選擇，舊膜脫膜等方面出發(fā)，探索一種適合2.4 m望遠鏡主鏡的鍍膜工藝流程，并依此完成2.4 m望遠鏡主鏡鍍帶MgF2保護的鋁反射膜工作。陪鍍片檢測表明，鋁膜膜厚極大極小值差43 nm，主鏡反射膜在350～1 100 nm范圍內平均反射率87.16%，經2.4 m望遠鏡實測，鍍膜完成后極限星等不低于23.5 mag，比鍍膜前約提高1 mag。2013年12月17日，在2.4 m望遠鏡上，利用終端云南天文臺暗弱天體分光及成像儀(Yunnan Faint-Object Spectrograph and Camera，YFOSC)，使用棱柵Grism3分光，對超新星SN 2011fe(V波段19.5 mag)成功進行光譜觀測。30 min單幅曝光，獲得暗于19 mag天體的光譜，刷新了該類天體在國內觀測的新的記錄。該目標在光譜觀測的同時有相應的測光數據以及測光標準星觀測，因此星等測量誤差小于0.1 mag，可以用于定量分析。

鍍膜；鋁反射膜；天文望遠鏡主鏡；保護膜

CN53－1189/P ISSN1672－7673

云南天文臺麗江觀測站2.4 m望遠鏡由英國TTL(Telescope Technology Limited)公司制造，該望遠鏡坐落于云南麗江高美古，地理位置東經100°01′51″，北緯26°42′32″，海拔3 193 m。2008年4月通過驗收并投入使用，目前配備PICCD、SBIG、YFOSC、LiJET等終端，望遠鏡主要觀測波段約為300～1 200 nm。2005年主鏡出廠時，使用美國Kitt Peak天文臺Mayall 4 m鍍膜機鍍有單層鋁膜，中間膜厚118.3 nm，外邊緣膜厚101.6 nm，反射率91.5%。自出廠以來，歷經6年的使用，主鏡反射率下降嚴重，急需重鍍反射膜，使望遠鏡恢復其觀測能力。

2011年9月由成都南光機器有限公司生產的ZZS3200鍍膜機通過驗收并投入使用，2.4 m望遠鏡主鏡鍍膜進入日程。ZZS3200鍍膜機是天文望遠鏡主鏡鍍制反射膜的專用鍍膜機，內部尺寸為內徑3 200 mm，高度3500 mm，配有兩臺德國萊寶CVL1800無油低溫泵，在國內首次采用自上向下的形式為天文望遠鏡主鏡鍍制反射膜，配有72組鎢絲蒸發(fā)源可以較均勻地熱蒸發(fā)鍍鋁，另配有3組電阻熱蒸發(fā)保護膜的蒸發(fā)舟接口[1－2]。

天文望遠鏡主鏡鍍膜過程比較復雜，按順序可分為:望遠鏡檢測、主鏡標定、拆除主鏡、主鏡裝箱、主鏡吊裝到鍍膜機、主鏡舊膜脫膜、鍍膜、主鏡運輸到圓頂、主鏡出箱、安裝、望遠鏡檢測、光學調整等環(huán)節(jié)，整個過程具有高風險、難控制等特點。本文從天文主鏡鍍膜的環(huán)境控制，鍍膜機蒸發(fā)源布置，保護膜的選擇，舊膜脫膜等幾個鍍膜方面的難點出發(fā)，對天文望遠鏡主鏡鍍膜過程進行研究，探索一種成熟的工藝流程，降低每個環(huán)節(jié)的風險，提高鍍膜質量，并依此完成2.4 m望遠鏡主鏡鍍膜工作。

1 環(huán)境控制

2.4 m望遠鏡主鏡直徑2 450 mm，重2 390千克，為了減少主鏡吊裝及鍍膜風險，規(guī)避主鏡翻轉的動作，ZZS3200鍍膜機設計為主鏡面朝上，自上向下的形式進行鍍膜。在清潔鏡面及吊裝過程中，空氣中的灰塵顆粒很容易附著在鏡面上。鍍膜時的鏡面上灰塵將會使反射膜針孔增加，反射率降低，雜散光增加，并影響膜層牢固度，在鍍膜時應盡量減少空氣中的較大灰塵顆粒數量。為評估鍍膜機房灰塵的情況，對鍍膜機房的灰塵顆粒數量進行了測量。

麗江高美古觀測站海拔3 193 m，周邊沒有較大的化工廠等污染源，空氣比較清潔。鍍膜機房建筑結構如圖1。

圖1 鍍膜機房布局示意圖Fig.1 Illustration of the layout of the operation room for coating

鍍膜機安裝在鍍膜機房最大的廠房內，鍍膜機房大門內另配有一道防塵卷簾門，主鏡進入鍍膜機房后就保持關閉，工作人員通過側面走廊經過兩道門才可進入鍍膜機房，減少人員進出帶來的較大氣流。為了測試不同情況下空氣中灰塵顆粒的變化情況，2011年9月3日對鍍膜機房內空氣顆粒進行了測量，結果如圖2。

圖2 鍍膜機房各個尺寸灰塵顆粒測量結果隨時間變化，分別為0.3 μm、0.5 μm、1 μm、5 μmFig.2 Measured temporal changes of densities of dust grains of four different sizes (0.3μm，0.5μm，1μm，and 5μm)in the operation room for coating

測量過程分為幾個時間段:11∶34－11∶45是只關閉鍍膜機房大門進行測量；11∶45－12∶06關閉卷簾門以及配電房、辦公室等鍍膜機房內各個小房間的門；12∶06－12∶26在探頭附近行走、做動作以模擬主鏡清洗過程中工作人員操作帶來的空氣流動。

從圖2可以看出，關閉卷簾門及各個房間的門，減少空氣流動氣流，可以明顯降低空氣中1.0 μm以下顆粒的含量，對大于5 μm的顆粒則影響很小，當有工作人員較快走動及進行其他操作時，則會帶來較大灰塵顆粒起伏，此時污染源主要來自工作人員自身的衣服、地面、儀器等沉積的灰塵。所以，鍍膜時關閉各個門，可以減少空氣流動；減少操作人員，操作人員穿戴防塵服，可以減少空氣中灰塵顆粒。

為不影響望遠鏡正常工作時間，考慮將鍍膜時間安排在雨季，望遠鏡檢修時間內，此時，空氣濕度較大，統計2012年6月～10月雨季期間鍍膜機房濕度見圖3。

圖3 2012年6月～10月鍍膜機房內溫濕度變化Fig.3 Daily temporal changes of the temperature and humidity in the operation room for coating averaged over June to October in 2012

主鏡清洗時，空氣中水分子附著在主鏡上，將增加鍍膜機抽真空時間，降低鋁膜牢固度。經過反復鍍膜試驗，為降低濕度，減小空氣中水分子對鍍膜的影響，自10月10日開始，為鍍膜機室內空氣加溫，從圖3可以看出，室內溫度提高約5℃，則相對濕度從70%顯著降低到約50%，進入10月中旬，雨季結束，天氣放晴，鍍膜機房內相對濕度快速下降為30%。

為減少空氣中水分子對鍍膜的影響，最終確定鍍膜時間為雨季剛剛結束的幾天。

2 鍍膜機真空室布局

ZZS3200鍍膜機是一臺鐘罩式鍍膜機，分為上下兩部分，配有兩種熱蒸發(fā)源，72組鎢絲組成的鋁蒸發(fā)源，3組介質蒸發(fā)源分別成環(huán)形均勻分布于上真空室[1－2]。2.4 m望遠鏡主鏡采用中心吊裝的方式，下真空室內，中心有一個定位環(huán)，用于主鏡吊入時中心吊鉤定位。主鏡由6個直徑400 mm均勻分布的底支撐柱支撐，支撐柱表面墊有1 cm厚的真空橡皮。側面有3組側限位，防止主鏡旋轉時滑動。

ZZS3200鍍膜機是我國首臺自上向下熱蒸發(fā)，用于天文望遠鏡主鏡鍍膜的真空鍍膜機，鏡面在下，可以減少鍍膜前后對主鏡的翻轉動作，有效減少操作風險，同時方便對主鏡的支撐、旋轉結構進行設計，缺點是蒸發(fā)源在上，需要嚴格控制蒸發(fā)材料滴落、噴濺到鏡面上，主鏡吊裝過程中空氣中的灰塵易落到鏡面上，無法經過離子轟擊的辦法清除[3－4]。

2.1 蒸發(fā)過程的噴濺、滴落

由于蒸發(fā)源在上，蒸發(fā)材料的噴濺、滴落將會嚴重影響膜層質量。噴濺、滴落發(fā)生的概率與蒸發(fā)源形狀、蒸發(fā)源加熱速率、蒸發(fā)源使用次數、蒸發(fā)源與材料的清洗等相關。

滴落主要是鋁絲預熔不均勻引起的，ZZ3200鎢絲蒸發(fā)源共有72根鎢絲，每根鎢絲上有6個環(huán)懸掛鋁絲，但只有一個控制旋鈕控制總電流。鍍鋁膜時，鎢絲使用超過兩次后，由于殘留鋁及本身受熱引起的變形將使鎢絲加熱速率不同，72組無法同步預熔鋁絲，進而產生嚴重的滴落現象。為有效檢測鍍膜過程中的噴濺滴落現象，初始階段將下真空室鋪滿鋁箔，檢查噴濺點，后期采用直徑2.4 m的平板鋼化玻璃進行實際膜層的鍍膜試驗，經過反復測試，發(fā)現鍍前使用無水乙醇清洗蒸發(fā)源和材料，可適當減少滴落的發(fā)生。

圖4 ZZS3200蒸發(fā)源與主鏡幾何關系示意圖Fig.4 Illustration of the geometrical relationship between the evaporation sources of the ZZS3200 coating machine and the primary mirror during the coating

鋁絲的掛載參考Subaru望遠鏡[5]，初始采用絞絲式掛載鋁絲，預熔時觀察發(fā)現在一根鎢絲的每個環(huán)上鋁絲加熱亮度不均勻，經分析認為是鋁絞絲與鎢絲接觸面積不同導致，改為懸掛法之后，滴落明顯減少。

圖5 懸掛法安裝鋁絲(左)，鋁絲預熔完成效果(右)Fig.5 Installation of the aluminium wire by the suspension method(as shown in the left panel) and the status of the pre-melted aluminium wire(as shown in the right panel)

為徹底消除滴落的風險，采用預先預熔的辦法進行了嘗試[6]，即首先將鋁絲預熔到鎢絲上。但是如果已經發(fā)生過滴落，則由于對應鎢絲上鋁的減少，再次預熔時，仍會造成鎢絲蒸發(fā)源加熱不均勻，通過目視觀察可發(fā)現鎢絲的亮度不一致，此時如果鎢絲電流參數不當，仍會造成鋁的二次滴落。

通過繼續(xù)進行實驗，鍍前使用無水乙醇清洗蒸發(fā)源和材料，經過反射測試鎢絲電流與各個環(huán)節(jié)持續(xù)時間，已經可以不需要提前一次預熔，融化鋁絲與鍍膜連續(xù)進行，同樣可以控制到鋁絲不滴不濺。實際2.4 m望遠鏡主鏡鍍膜時，采用的也是不提前預熔鋁絲，熔完鋁絲后馬上鍍膜。

鎢絲蒸發(fā)源在加工時，可以直接在鎢絲每個環(huán)上纏繞鋁絲，將會進一步增加鍍膜的穩(wěn)定性，減少滴落噴濺的概率，考慮到成本問題，2.4 m望遠鏡主鏡鍍膜時只采用普通的鎢絲，鋁絲采用懸掛的方法鍍鋁反射膜。

2.2 膜厚均勻性

對于大口徑天文望遠鏡主鏡鍍膜，由于蒸發(fā)源較多，膜厚分布情況復雜，本文采用膜厚分布的均方差來衡量膜厚分布情況，定義膜厚不均勻性為:

由于真空室結構已經固定，通過調節(jié)主鏡支撐與蒸發(fā)源的間距，可以適當改善鋁膜與保護膜的膜厚均勻性，綜合考慮鋁膜與保護膜，選擇主鏡距鎢絲蒸發(fā)源的垂直距離為H＝1 255 mm，鎢絲環(huán)半徑L＝1 300 mm，得到優(yōu)化后的理論膜厚分布[2，4]與實測結果分別如圖6。

其中，測量鋁膜膜厚均勻性時，發(fā)現半徑600 mm以外膜厚顯著減低，經過檢查，是由防污板遮擋引起。在鎢絲內外圈安裝有防污板，當鋁發(fā)生側向噴濺時可以保護鋁無法到達主鏡上，并減少鍍膜對真空室的污染，方便清洗鍍膜機。另外，為增加轟擊效果，轟擊電極要求盡量低，結構如圖6(右)，在鍍膜機設計過程中，沒有考慮鎢絲的具體尺寸，防污板的下邊緣對鋁膜蒸發(fā)造成遮擋，當將螺旋結構的鎢絲形狀加入膜厚計算模型，加入鎢絲和轟擊電極尺寸，得到修正后的鋁膜膜厚分布如圖6(左)中實線所示。測量的鋁膜膜厚不均勻性為5.82%。

圖6 平面基板上鋁膜相對膜厚均勻性(左)，鎢絲與電極的防污板幾何關系示意圖(右)Fig.6 The left panel shows the thickness values of the aluminium film on the plane substrate；it demnonstrates the uniformity of the film.The right panel shows the geometrical relationship between the antifouling covers of the tungsten wires and those of the electrodes

直接測量介質保護膜的膜層厚度比較困難，本文考慮通過透射光譜反演獲得保護膜的厚度。首先測試了SiOx保護膜，SiO在充氧的環(huán)境下熱蒸發(fā)沉積形成SiOx(1＜x＜2)膜層，使用折射率較高的ZF7作為檢測片，分布于一個平面工件架上，鍍制了一層SiOx膜層。使用Lambda 950可見/近紅外分光光度計測量檢測片的光譜透過率，由其光譜透過率反演得到膜層厚度。結果如圖7，膜厚均勻性與模擬結果基本一致，介質保護膜膜厚不均勻性為3.95%。

在邊緣附近，數據有較大誤差，由于ZZ3200鍍膜機真空室充氧管道出氣口恰好位于真空室邊緣處，高度與工件架接近，分析認為是由于充氧以后真空室內分子平均自由程過短引起膜層不夠致密，導致在邊緣處膜層吸收率增加，使用光譜透過率反演法得到的膜厚比實際值大，此外，在中心及邊緣處薄膜的沉積角度變大，也對薄膜的膜層結構有一定的影響[7]。

試驗時為提高測量精度鍍制了較厚的SiOx保護膜，實際鍍膜時可以根據指定的參考波長，選擇鍍制二分之一參考波長光學厚度的薄膜，在參考波長附近到與單層鋁膜相同的反射率，或遠小于波長的膜層厚度，減少單層介質膜在整個觀測波段內對鋁膜反射率的影響。

3 保護膜材料的選擇

考慮到大氣中灰塵和酸性顆粒對鋁膜的影響，天文望遠鏡主鏡的鋁反射膜，需要每隔2－3年重鍍一次。單層介質保護膜可以適當延長鋁膜使用壽命，但會相應降低膜層反射率，保護膜材料的折射率越高，反射率降得越低。為主鏡鋁膜鍍制保護膜時，需要均衡考慮保護膜的保護效果及下次鍍膜時脫膜難度，對于常用的SiO保護膜，鍍膜時需要為真空室內充氧氣，促使SiO氧化為SiOx(1＜x＜2)，當充氧恰當時，可以得到致密的SiOx保護膜。經過實際脫膜比對，致密的SiOx保護膜極難通過常用脫膜液熱NaOH溶液或稀HCl溶液[6，8]清洗掉?？紤]到MgF2在室溫條件下熱蒸發(fā)薄膜為多孔結構，MgF2擁有更低的折射率，另外，MgF2鍍膜時不需充氧，一可防止鋁膜在鍍保護膜充氧時氧化，二可以避免充氧時使真空室內壓強增大，減小蒸發(fā)粒子的平均自由程，最終采用MgF2作為鋁反射鏡的保護膜材料。

4 主鏡進出鍍膜機的吊裝

主鏡進入真空室鍍膜以前需要清洗鏡面沉積的灰塵及舊反射膜，使用純凈水、無水乙醇、丙酮、脫脂棉紗布等將鏡面徹底清潔、擦干，然后按照下面流程將主鏡吊裝到鍍膜機下真空室內。

2.4 m主鏡運輸時，主鏡裝入主鏡箱中，總重4 100千克，使用吊車與貨車配合運輸。主鏡使用中心抓鉤進行吊裝，進出鍍膜機真空室時，由于鍍膜機下真空室可以在軌道上移動，為減少吊裝風險，將洗鏡車也設計為可在軌道上移動，使得室內桁車只需操作主鏡進行上下移動，可避免桁車在平移時主鏡擺動帶來的操作風險。由于這是2.4 m望遠鏡首次開展主鏡鍍膜工作，為積累經驗，熟悉流程，及時發(fā)現隱患，在正式鍍膜前，使用主鏡代鏡進行兩次主鏡的吊裝、運輸演習。

5 2.4 m望遠鏡主鏡鍍膜結果

2012年10月，使用ZZS3200鍍膜機完成2.4 m望遠鏡的主鏡鍍膜工作，鍍制了200 nm厚的鋁膜，鋁膜最大沉積速率6.2 nm/s，真空度4.22e－4Pa，為減少保護膜對光譜反射率影響，保護膜采用33 nm厚的MgF2，最大沉積速率0.3 nm/s。在半徑1300 mm處放置陪鍍片，使用lambda950分光光度計測量光譜反射率，在350～1 100 nm波段內反射率平均值為87.16%，圖8繪出檢測片反射率曲線分布，另附無保護膜時同臺儀器測得單層鋁膜反射率曲線?？梢姳Ｗo膜的存在使得光譜反射率在可見光波段下降約5%。

2012年12月6日測光夜，對目標SDSS J051358.52＋264523.8進行了觀測。使用r波段，曝光20 min，得到圖像如圖9，星像半寬1.3”，信噪比～3。對比鍍膜之前，一小時的曝光只能看到22 mag的目標(所謂看到，指的是信噪比≥3)，現在20 min即可看到23.5 mag的目標，去掉視寧度的影響，鍍膜后的效率為鍍膜前的～2.54倍。

2013年12月17日，在2.4 m望遠鏡上，利用終端云南天文臺暗弱天體分光及成像儀，使用棱柵Grism3分光，對超新星SN 2011fe(V波段19.5 mag)成功進行了觀測。單幅30 min曝光，獲得暗于19 mag天體的光譜，刷新了該類天體在國內觀測的新的記錄。該目標在光譜觀測的同時有相應的測光數據以及測光標準星觀測，因此星等測量誤差小于0.1 mag，可以用于定量分析。

這種測量只能定性反映出效率的提升，不能很好地反映極限星等的絕對提升。如果要定量地描述鍍膜前后的變化，選擇較亮的標準星，進行鍍膜前后的亮度測量對比。

圖8 陪鍍片與單層鋁檢測片反射率曲線對比Fig.8 Comparison between the reflectivity curve of the accompanying plate in the coating and that of a test plate with a single aluminium layer(coated by the same machine)

圖9 SDSS的目標圖像(左)與2.4 m望遠鏡拍攝的目標圖像(右)Fig.9 The left panel shows an SDSS image and the right panel shows an image of the same sky field taken by the 2.4m optical telescope(after the coating)

6 結 論

使用國內第1臺自上向下、蒸鍍鋁反射膜的大型鍍膜機，完成2.4 m望遠鏡主鏡的鍍膜工作，是目前東南亞地區(qū)口徑最大的非拼接光學天文望遠鏡主鏡。鋁膜膜厚極大極小值差43 nm，加鍍較薄的MgF2保護膜，提供一定的保護效果，在可見光短波長波段，反射率受到明顯影響，在可見光長波段、近紅外波段反射率降低較少，保持了較高反射率。這種膜系，可在下次鍍膜時用熱10%NaOH溶液或稀HCl溶液作為脫膜液，快速洗掉舊膜。鍍膜完成后的觀測表明，2.4 m望遠鏡極限星等比鍍膜前提高了約1 mag。

致謝：在鍍膜期間，得到李如鳳、李志、劉威衛(wèi)、樓柯等老師的熱心指導與幫助，特此感謝!

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A Study of Technologies of Coating on the Primary Mirror of the 2.4m Optical Telescope of the Yunnan Observatories

Lun Baoli1，2，3，Qin Songnian1，2，Wang Jianguo1，2，Fan Yufeng1，2，3，Xu Wenbo1，2，Peng Huanwen1，2，3，Chang Liang1，2，Wang Chuanjun1，2，Xin Yuxin1，2，Yi Weimin1，2，3，Xu Yueheng1，2，Wang Xueli1，2，Zhang Jujia1，2，Li Jian1，2，He Shousheng1，2
(1.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China；2.Key Laboratory for Structure and Evolution of Celestial Objects，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:lunbl＠ynao.ac.cn；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

In this paper we study technologies of adding aluminium coatings on the primary mirror of the 2.4m optical telescope of the Yunnan Observatories.These are for operations with a large vacuum evaporation coating machine of the type ZZS3200，which is the first vacuum evaporation chamber to coat objects downward in China.We discuss some difficult issues of coating operations，including approaches to control the environment，arrange the evaporation sources of the coating machine，choose the protection film，and remove old coatings.Using these technologies we completed the coating of the primary mirror of the 2.4m telescope with an aluminum reflection layer and an MgF2protection layer.The average reflectivity of an accompanying plate in the coating(as the witness sample)is 87.16%in the wavelength range from 350nm to 1100nm.After the coating the limit magnitude of the telescope reaches 23.5 magnitudes，which is about 1 magnitude fainter than before the coating.

Coating；Aluminium reflection layer；Primary mirror of an astronomical telescope；Protection layer

O484

A

1672－7673(2014)02－0176－08

2013－04－09；修定日期:2013－05－28

倫寶利，男，博士.研究方向:天文薄膜技術.Email:lunbl＠ynao.ac.cn