Reeds meerdere jaren waren we samen met ACG te ieper materiaal aan het verzamelen om telescoopspiegels te veraluminiseren.
Dankzij een vriend konden we eindelijk een moeilijk te vinden stuk vinden: de hoog-vacuum-pompen.
Momenteel zijn we bezig om onze eerste vacuum-kamer aan het bouwen waarin we dan aluminium kunnen verdampen om dan dat aluminium te laten neerslaan op de telescoopspiegels. De maximum spiegeldiameter is 30 cm.
Deze eerste stap moet ons de nodige informatie bezorgen om een grotere kamer te bouwen om grotere spiegels te veraluminiseren.
Het principe om spiegels te veraluminiseren is vrij simpel: Het uitvoeren ervan is dat alleszins niet.
Eerste en vooral moeten we een diep vacuum hebben (een luchtledige ruimte). eenmaal het vacuum diep genoeg is zijn er maar weinig luchtmolecules meer in de vacuumkamer en de weglengte die zo een vrije molecule aflegt vooraleer ze met een andere molecule botst is langer. hoe "dieper" het vacuum is, des te langer is de "vrije weglengte".
In deze vacuumkamer wordt de te veraluminiseren spiegel geplaatst. In de kamer bevindt zich een gloeidraad die aluminiumdraadjes opwarmt tot een temperatuur waar het aluminium gaat smelten. Ongeveer 933° kelvin. Omdat we het aluminium (of elk ander metaal of materiaal) in een vacuum doen smelten gebeurt er iets speciaal. Daar er geen gasdruk (luchtdruk) meer aanwezig is in de vacuumkamer zal alle vloeibaar materiaal (hier aluminium) direct gaan verdampen. De verdampte aluminium-molecules worden afgestoten door de gloeidraad en zullen zich op alle andere aanwezige oppervlakken die ze tegenkomen gaan botsen. Omdat er geen liuchtmolecules aanwezig zijn gaan ze dus net zo ver door tot ze op iets boten. (de wand van de vacuumkamer, de spiegel, alle andere onderdelen in de vacuumkamer). De psiegel wordt langzaamaan veraluminiseerd. Omdat het aluminium maar met een bepaalde snelheid verdampt duurt het enkele minuten vooralleer de aluminiumlaag op de spiegel dik genoeg is.
Dit alles is echter maar de mooie theorie....
De praktische kant is iets moeilijker. Waarom moet er een bepaalde afstand zijn tussen de spiegele en de gloeidraad? enkel en alleen omdat het verdampte aluminium radiaal vanuit de gloeidraad wordt verdampt in een uniforme expandernde bol. De vorm van de aanstromende aluminium molecules is dus gebogen wat betekend dat hoe verder van de middellijn gloeidraad spiegel we komen, hoe groter het oppervlak die eenzelfde hoeveelheid molecules moeten beslaan en dus hoe dunner de laagdikte wordt die uiteindelijk op de spiegel terecht komt. Wij wensen echter een spiegel die een even dikke laag heeft in het midden als op de buitenrand. Indien de dikte verschillen op de spiegel te groot zijn (meer dan 1/10 van een golflengte) wordt de optische kwaliteit van de spiegel beinvloed.
We moeten dus een spiegel van 20 cm diameter minstens 30 cm van de gloeidraad plaatsen. Deze afstand kan worden berekend maar dat zou ons hier te ver leiden.
De afstand spiegel-gloeidraad is echter wel belangrijk om de diepte van het vacuum te bepalen. Zoals hierboven werd uitgelegd is de vrije weglengte die de molecules kunnen afleggen vooralleer ze op een luchtmolecule botsen direkt afhankelijk van de diepte van het vacuum. Als de spiegel op 30 cm van de gloeidraad staat dan moeten de aluminiummolecules deze afstand afleggen voor ze op een luchtmolecule botsen, liefst nog met wat extra reserve) De vrije weglengte moet dus zeker 50 cm tot 1 meter bedragen om te verzekeren dat de aluminium molecules nog genoeg snelheid hebben om een goed hechtende laag op de spiegel te verkrijgen. De hechting is afhankelijk van de snelheid waarmee de molecules op de spiegel botsen (hoe sneller , hoe beter). Indien er te veel luchtmolecules overblijven krijgen we bovendien een bijkomend probleem van oxidatie ven het aluminium en de gloeidraad. We krijgen dan een mix van aluminium en aluminiumoxide op de spiegel wat veel zachter is en niet zo goed refelecteerd.
Het vacuum moet dus minstens een luchtdruk hebben van 5 x 10 tot de min 4de millibar.
Normale atmosferische luchtdruk is 1013 millibar.
Zoals je kan zien op het meetinstrument hieronder kunnen we, mits wat extra voorbereiding en aandacht, 8 x 10 tot de min 6de millibar bereiken.
De normale druk in gewone condities is ongeveer 3 x 10 tot de min 5de millibar. (34.000.000 keren lager dan atmosferische druk)
Om deze onderdruk te bereiken hebben we een dubbeltraps pompsysteem nodig.
Eerst en vooral legen we de vacuumkamer tot een druk van 0.1 tot 0.01 millibar met een gewone rotatieve vacuumpomp. Eenmaal deze druk bereikt kunnen we met een tweede pomp de overige molecules wegzuigen. De uitgang van de tweede pomp wordt dan leeggezogen met de eerste pomp. De uitgangsdruk van de tweede pomp is dus ongeveer 0.01 millibar. Een probleem om lagere drukken te bereiken is dat niet alle pomptypes geschikt zijn. Rotatieve pompen kunnen geen lager vacuum maken omdat deze met olie werken en de olie verdampt bij lagere drukken dus zuigen we enkel nog de olie uit de pomp en niet de lucht uit de kamer....
Belangrijk is dus de dampspanning (verdampingsdruk) van de olie in de pomp.
Enkel een paar types van pompen kunnen dus worden gebruikt. Meestal werken deze installaties met een olie-difussiepomp welke de luchtmolecules vangen met verdampte olie en die olie-luchtmenging afvoeren door ze te laten condenseren tegen een koude wand. waar de olie terug vloeibaar wordt en de lucht terug losse luchtmolecules worden die dan door een andere pomp worden weggezogen. Door de richting van de olie weg van de kamer te sturen krijgen we een pompend affect aan de kamer en een ophoping van lucht aan de andere zijde waar de olie terug condenseert. hierdoor is de hoeveelheid lucht hoger en kan deze worden afgezogen. Difussiepompen zijn meestal groot, gevaarlijk en verbruiken veel energie.
Wij werken met een turbomoleculaire pomp. Dit is een rotot (zoals een vliegtuigmotor maar dan veel kleiner) die wordt aangedreven door een ingebouwde electrische motor en deze combinatie draait met een snelheid van 42000 toeren per minuut. De lagers zijn ceramisch en onderhouds- en olievrij.
.
De rotor zelf bastaat uit 8 ringen met rotorbladen met 6 verschillende hellingshoeken en daarna 4 vlakke schijven. De rotorbladen trekken de luchtmolecules uit de kamer door ze op te scheppen en door de juiste hellingshoek van de rotorbladen ze naar de volgende ring van rotorbladen te sturen. De vlakke schijven duwen de molecules uit de pomp. Bij deze lage drukken gedraagt lucht zich niet meer "moleculair vloeiend". Een luchtmolecule kan niet meer tegen een andere molecule duwen (omdat er te weinig molecules overschieten - vrije weglengte weet je nog?) De vlakke schijven hebben daarvoor een hele reeks van kleine pinnetjes die de luchtmolecules wegslaan naar de uitgang van de pomp. (tennis op moleculair niveau).
Dit gedeelte van het vacuumpompen is een tijdrovend proces. Enerszijds moeten we wachten tot de laatste molecules zich net "per toeval" in de weg van de eerste rotorbladen komet vooralleer ze in de pomp worden "gezogen" , anderszijds moeten we, om de slijtage van de turbomoleculaire pomp te verkleinen, de snelheid van de pomp zeer traag opvoeren. (beperken van slijtage van de keramische lagers). Het duurt ongeveer 30 minuten voor de pomp op snelheid is (42000 toeren per minuut).
Bij deze lage drukken hebben we nog een ander probleem. Alle molecules die aan de wanden van de kamer bleven "kleven" (vingerafrukken, adem, oxidatie van de binnenkant van de pomp, enz...) komen langzaam los van de wanden en maken dat het langer duurt vooralleer het vacuum diep genoeg is. Extreme aandacht moet worden besteedt aan het voorbereiden van de kamer en spiegels om vervuiling te voorkomen. alle extra molecules maken dat het langer duurt vooralleer het vacuum diep genoeg is. Met een mug in de vacuumkamer kan je uren blijven pompen voor niets.
Eenmaal het vacuum diep genoeg is kunnen we het verdampen beginnen.
Als verdamper gebruiken we een gloeidraad van wolfraam die electrisch wordt verwarmt..
Voordat we de kamer sloten hebben we draadjes zuivere aluminium (99.9 % zuiver) op de gloeidraden gehangen.
Eenmaal op diep vacuum gaan we de gloeidraden traag opwarmen. tot ongeveer 1500 graden Celcius.
Het aluminium dat op de draden hangt neemt de warmte over en begint te smelten waardoor de wolfraam draden met aluminium bevochtigd worden. Op dat moment begint het verdampen.
Electrisch geladen door de gloeidraad worden het aluminium-gas afgestoten van de gloeidraad naar alles wat in de kamer werd geplaatst.
Wanneer de aluminium molecules tegen de spiegel botsen beginnen ze een steeds dikkere laag te vormen op de spiegel.
Eenmaal we een dik genoege laag hebben kunnen we het verdampen stoppen door langzaam de stroom door de gloeidraad te verminderen.
Na stoppen van de pompen (20 minuten uitdraaien wegens de snelheid) en terug "beluchten" van de kamer (15 minuten) kunnen we de kamer openmaken en het resultaat bewonderen.
Meerdere spiegels werden reeds veraluminiseerd. Met de opgedane kennis gaan we de installatie wat ombouwen om een meer uniforme verdamping te bekomen en om ook kwarts-lagen aan te brengen. Dit is geen staafmateriaal maar poeder. hiervoor hebben we andere verdampers nodig dan de gloeidraden.
Meer informatie zal aan deze pagina worden toegevoegd naamate ze beschikbaar komt in de volgende maanden.....
laatste update: November 26, 2006