Sissejuhatus

Käesolev töö on pühendatud neile, kes on huvitatud teadusest, tehnikast või käsitööst. Kuid lugeda võiks ka see, kellel nimetatud huvid puuduvad. Autor püüab kõik arusaadavalt ja põhjendatult esitada.

Tuleb öelda suured tänusõnad härra Enno Ruusalepale, Tõravere Observatooriumi juhtivinsenerile, kes abistas töö koostajat vajaliku kirjanduse ja materjalide hankimisel ning ütles oma arvamuse kohas, kus autor kippus nõutuks jääma. Samuti tuleb tänada ka Mati Aednurme aktsiaseltsist Vali, kes aitas jooniste tegemisel.

Kuigi tekst on suhteliselt referatiivne, peab autor tunnistama, et antud teemale vastavat (eestikeelset) kirjandust on üsna raske leida. Mõni aasta tagasi tekkis autoril M. Sveshnikovi raamatut "Klaasi saladused" lugedes huvi klaasi vastu. Kui aga töö koostaja kätte juhtus Uno Veismanni raamat "Tähed ja tehnika", tekkis soov ehitada teleskoop. Umbes samal ajal algas huvi astronoomia vastu. Sirvides vanu Tähetorni Kalendreid, leidis autor H. Hoyeri artikli "Kuidas ise valmistada teleskoobi nõgusat peapeeglit"...

Teatavasti suunas esimesena peegelteleskoobi taevasse Isaac Newton. See toimus 1672. aastal. Newton lõi omanimelise optilise süsteemi, sest ta ei näinud muid võimalusi refraktorite puuduseks olnud kromaatilise aberratsiooni kõrvaldamiseks. Kuigi ideaalse kujutise saamiseks lihtsas peegelteleskoobis on vajalik pöördparaboloidikujuline peapeegel, on enamik amatööride esimestest instrumentidest newtonlikult sfäärilise peapeegliga. Seega on käesoleva töö eesmärgiks (lähtuvalt ajaloolistest ja praktilistest kaalutlustest) sfäärilise peapeegli käsitsi valmistamise uurimine ja selle raamidesse ei mahu tänapäeva optikatööstuses kasutatavate seadmete kirjeldamine.

Autor esitab kirjandusel põhinevaid seisukohti nimetatud valdkonnast ja püüab neid ka kommenteerida. Töö esimeses peatükis vaatleme peamisi nõguspeeglite materjale; põhjendame, miks peegel võib teatud juhul sfääriline olla; toome ära peamised tingimused, mis esitatakse töökoha suhtes. Teine peatükk käsitleb lihvimisprotsessi olemust ja teostamist. Kolmas sisaldab infot peegli valmistamise kõige töömahukamast osast, poleerimisest. Neljas peatükk on pühendatud peegli kvaliteedi kontrollile ja selle kuju määramisele.

Järgnevast tekstist peaks lugeja leidma vastuse küsimusele: kas ja kuidas on tänapäeval võimalik amatöörteleskoobi peapeegli valmistamine.

1. peatükk
Peapeegel ja töökoht

1.1. Peegli materjalid

Tavaliselt valmistab amatöör peegli mingist klaasisordist, harvem ka metallisulamist. Minevikus, Newtoni ajal oli peamine materjal peeglipronks, mis sisaldas 67% vaske ja 33% inglistina. Peeglipronks oli aga küllaltki kehv materjal oma suure tiheduse, ebapiisava kõvaduse poolest. See nõudis optikult suuri pingutusi pinna töötlemisel, tema peegldusvõime oli suhteliselt väike (mõnevõrra üle 60%) ja ebapüsiv kiire oksüdeerumise tõttu. Kui õpiti tootma optiliste peeglite jaoks sobivat klaasi, hakkasid peaaegu kõik optikud seda kasutama. Klaaspeeglid on antud mõõtmete puhul pronkspeeglitest tunduvalt kergemad ja kõvemad ning seepärast deformeeruvad enda kaalu mõjul vähem. Kui klaaspeegel on kord poleeritud ja hõbetatud või alumineeritud, siis on tema peegeldusvõime metallpeegli omast suurem.

Amatöörile tuleb soovitada peegelpinna katmist alumiiniumiga. Kuigi see pole amatöörtööna teostatav, on alumiinium hõbedast tunduvalt korrosioonikindlam, seega hea peegeldusvõime säilib kauem. Kui aga peegeldav metallikiht peaks tuhmuma, on see võimalik maha pesta ja uuesti peale kanda vahepeal peeglit üle poleerimata. Peale selle on alumiiniumi peegelduskoefitsent optilises kiirguses vähem selektiivne, võrreldes teiste metallidega (näiteks Ge ja Au sobivad rohkem infrapunases valguses kasutatavate peeglite katmiseks). Peame tunnistama, et ka metallpeegli puhul on võimalik peegeldava kihi mahapesemine, kui peegel on eelnevalt pesemiseks kasutatavas reaktiivis lahustumatu metalliga (näiteks kroomiga) kaetud ning hõbetatud või alumineeritud.

Eelnevast võib järeldada, et metallpeegleid pole üldse mõtet valmistada. Kuid sellise järelduseni jõudsime ainult sellepärast, et jätsime tähelepanuta suuremate klaaspeeglite puhul esineva nn. ääreefekti. Kuigi võime hoida teleskoopi tingimustes, kus on pidevalt öö keskmisele vastav temperatuur, võivad vaatluse jooksul paratamatult esinevad väliskeskkonna temperatuuri kõikumised põhjustada klaasis pingeid, mis deformeerivad optilist pinda ja seega rikuvad kujutist. Peegliploki välise kihi jahtudes või soojenedes, mis joonisel (1) on viirutamata, säilitab seesmine viirutatud klaasimass oma esialgse temperatuuri tänu klaasi halvale soojusjuhtivusele pikaks ajaks.

Joonis 1. Klaaspeegli ääreefekt

Tekkivad pinged põhjustavad peegli äärmise tsooni a peegli üldisest sfäärilisest kujust "allapoole" langemist temperatuuri alanemisel ja "ülespoole" kerkimist temperatuuri tõusmisel. Peale selle muutub ka üldine kõverusraadius.

Metallpeeglitel tänu nende suhteliselt heale soojusjuhtivusele, mis ületab klaasi oma kümneid ja sadu kordi, märgatavat ääreefekti ei esine. Temperatuuri kõikudes muudab peegel ainult oma kõverusraadiust, kuid tema pind jääb sfääriliseks või paraboloidseks, kui ta oli seda enne temperatuuri muutumist. Ääreefekti vähendamiseks on välja töötatud mitmeid abinõusid, kuid nende kirjeldamine väljuks töö piiridest.

Ärgem laskem ennast segada sellest, mis toimub suurte klaaspeeglitega. Amatöör peaks siiski alustama 150-170 mm diameetriga peegli valmistamisest, mille paksus on vähemalt 1/8 läbimõõdust ja mitte laskma ennast häirida sellest, et endises Nõukogude Liidus küündis amatöörpeeglite keskmine diameeter 250 millimeetrini. Nimetatud mõõtmetega peegel on autori arvates soovitav klaasist teha. Teda saame hiljem lihtsate vahenditega teleskoopi kinnitada, kartmata kaalust põhjustatud deformatsioone. Märgatavat ääreefekti sellise peeglidiameetri korral ei esine, küll aga peame seda vältima peenlihvimisel ja poleerimisel. Kui valmistaksime peegli metallist, peame arvestama tema tuhmumisega, mille kõrvaldamine nõuab uut poleerimist, sest vaevalt õnnestub asjaarmastajal tooriku kroomimine enne peenlihvi ja poleerimist. Lisame, et metallpeeglite valmistamisprotsess erineb mõnevõrra klaaspeeglite omast. Parimaks peegli materjaliks peetakse paireksit ehk kvartsklaasi, kuid amatööri jaoks pole klaasisordil siiski määravat tähtsust.

1.2. Miks võib amatöörteleskoobi peapeegel olla sfääriline?

Joonis 2. Peeglit iseloomustavad suurused

Et alapealkirjas toodud küsimusele vastust saada, peame endale selgeks tegema mõned peeglit iseloomustavad suurused (joonis 2).

Sfäärilise nõguspeegli pind kujutab endast sfääri lõiget, mille raadius on R. Peegli fookuseks F nimetatakse punkti, kus koonduvad optilise peateljega paralleelselt peeglile langevad kiired. Punkti F kaugust peegli pinnast nimetatakse fookuskauguseks f, kusjuures R=2f. Peegli suhteliseks avaks D nimetatakse peegli läbimõõdu d suhet fookuskaugusse. Seega D=d/f. Ideaalse kujuga peegli lahutusvõime leitakse valemist gamma=14"/d, kusjuures d on peegli läbimõõt sentimeetrites.

Joonis 3. Sfääriline aberratsioon

Nähtust, mis seab piirid sfäärilise peapeegli kasutamisele, nimetatakse sfääriliseks aberratsiooniks (joonis 3). Sfääriline aberratsioon seisneb selles, et sfääriliselt nõguspeeglilt reflekteerunud kiired ei lõiku ühes punktis. Peegli keskosa fokuseerib temale langevad paralleelsed kiired kaugemale kui äärepiirkond. Joonisel on see kujutatud muidugi tugevasti suurendatult.
Tulemusena venitatakse vaadeldava objekti kujutis lõigule a ja okulaari või kiirgusvastuvõtjat on võimatu täpselt fokuseerida. Kirjeldatud veast on vaba paraboloidpeegel, kuid algajale võib selle valmistamine põhjustada peaaegu ületamatuid raskusi. Tegelikkuses on peeglitel fookuse teatud väljavenitatus lubatud, ilma et selle all kannataks peegli lahutusvõime. Lubatud fookuskauguste erinevused mõnede suhteliste avade korral on toodud tabelis 1.

Mida suurem on suhteline ava, seda keerulisemaks muutub peegli valmistamine, kuna lubatud fookuskauguste erinevus üha kahaneb. Kuidas peegli erinevate piirkondade fookuskauguste vahet leida, uurime 4. peatükis.

Suuremate suhteliste avade korral hakkab peegli poolt tekitatud kujutist rikkuma ka kooma. Kooma tõttu ei anna peegel optilisest teljest eemal asuvatest vaadeldava objekti punktidest korralikku kujutist. Suurema suhtelise avaga peeglile on töötlemise käigus kergem tekitada ka astigmatismiks nimetatavat viga. Astigmatismi puhul on peegli kahel ristuval diameetril mõõdetud kõverusraadiused (seega ka fookuskaugused) erinevad. Lähtudes eelnevast peaksime esimese peegeli valmistama võimalikult suure fookuskaugusega ja suhtelise avaga 1/9-1/10. Kui jätame sellise, eespool nimetatud mõõtmetega (d=150-170 mm) peegli sfääriliseks, ei halvene oluliselt lahutusvõime.

1.3. Amatööroptiku töökoht

Ruumis, kus toimub peegli töötlemine ja kontrollimine, peab olema enamvähem konstantne temperatuur (parim ~20°C). Optilise pinna kontrollimisel nõutakse vibratsioonide ja õhu konvektsioonivoolude puudumist. Soovitav oleks töökohaks valida põhja poole jäävate akendega tuba, sest päikesekiirte langemine töölauale, rääkimata toorikust ja tema töötlemiseks kasutatavast instrumendist, on lubamatu. Tööruumis on soovitav hoida tavalisest suuremat õhuniiskust, sest see seob õhust tolmu ja pidurdab lihvimis või poleerimissegu kuivamist. Autoril oli töötoas suhteline õhuniiskus 55-60 protsenti. Tolmu hulga vähendamiseks pole soovitav töötoas pidevalt elada, aknapraod tuleb kinni kleepida, laua all ja ümber peaks olema näiteks linoleum. Töötoas võiks olla veekraan kraanikausiga.

Joonis 4. Töölaud

Peegliplokki töötleme (lihvime ja poleerime) ümmargusel töölaual, mille kõrgus on 80-85 cm. Parimaks töölauaks võib pidada massiivset kolmejalgset taburetti (joonis 4), mis on klambritega kinnitatud põranda külge. Kuid taburetist võime ka loobuda, kasutades millegi raskega (liivaga) täidetud puutünni. Laua paigutame nii, et ümberringi jääks umbes 1m vaba ruumi. Mõned autorid soovitavad töötada tunduvalt kõrgema laua taga (kõrgusega 1,2-1,5 m). Töölauas ei tohi olla auke ega pragusid, mis võivad põhjustada sellele kinnitatud instrumendi ebaühtlast jahutamist, deformeerumist.

Käesoleva töö autor eelistas ~85 cm kõrgust lauda, sest madalama laua puhul saab paremini rakendada lihvimiseks vajalikku survet, madalam laud püsib ka kindlamalt paigal. Kui ei õnnestu hankida sobiva kõrgusega tünni, saame olemasoleva kõrgust suurendada näiteks telliskivide allapanekuga. Oluline on, et laud toetuks põrandale kolmes punktis ja ei kõiguks lihvimisel esinevate tõugete tõttu. Muidugi peab laua pind olema horisontaalne ja soovitavalt lakitud või värvitud. Autori laua diameeter võrdus ~kolmekordse tooriku läbimõõduga.

[ Järgmine peatükk: Lihvimine ]