小型低温真空光学实验论文

水银镜面的大型天頂望远镜，为研制下一代观测仪器提供了极其宝贵的经验。在加拿大不列颠哥伦比亚省的密林深处，花岗岩的山頂上，隐藏着一泓闪亮的水银池塘。这就是世界上最大的望远镜之一——直径6米的大型天頂望远镜（LargeZenithTelescope，LZT）。它同时也是世界上最大的液态镜面望远镜。下面是小编整理的《小型低温真空光学实验论文 (精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

小型低温真空光学实验论文 篇1：

纳米陶瓷微珠材料在太空服中应用探讨

摘要：随着我国载人航天事业的发展，未来的宇航员出仓活动会越来越多，航天服是保障航天员生命活动和工作能力的个人密闭装备，可以说是一个小型航天器，可防护空间的真空、高低温、辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天服分六层：由特殊防静电处理过的棉布织成的舒适层、橡胶质地的备份气密层、复合关节结构组成的主气密层、涤纶面料的限制层、通过热反射来实现隔热的隔热层、最外面的外防护层。躯干达到7层，最厚的是挂包有20层。做为最外的防护层是重中之重，要求耐高温、防磨损力强，防热辐射等。以美国舱外航天服为例，最外层采用耐极端温度的特氟珑、凯夫拉、和诺梅克斯的三维立体正交织物，这层材料不但极为结实，而且可以长期曝露在极端温度中仍然安然无恙。这几年随着新材料的出现，外层航天服材料有了更新的创新空间，纳米陶瓷微珠材料绝热性能好、热稳定性好、化学稳定性好、既耐磨又耐碰撞，对空间各种射线有良好的屏蔽作用，做为一种新材料如何在太空服上使用，我们做一下探讨。

航天服是航天出舱活动生存和执行任务的基本装备，如果没有航天服走出飞船，那么因为缺氧你会在15秒甚至更短时间内昏迷，因为外部气压很小或者为零，你的血液和体液可能沸腾，然后冻结。在太空阳光下温度在120℃甚至更高，在阴影下迅速降至-100℃，宇宙中还有各种类型射线，太阳辐射带电粒子和高速移动微小尘埃、微流星体。航天服隔热层要求防火、防辐射、防宇宙射线对人体的危害，大部分外层是五层镀铝织物(如芳纶纤维或者聚酰亚胺薄膜)，热防护系统是舱外航天服的重要功能组成，⑴随着国内外载人航天领域的不断拓展 ，与航天服热防护相关的技术也在不断发展。在我国完成的出舱活动任务及当前国际空间站出舱活动任务中，所使用航天服的热防护技术主要是针对近地轨道热环境(Low Earth Orbit，LEO)的设计应用，而面向月球、火星的探索以及未来深空探测将需要研制新型航天服和发展更加完善的热防护技术。纳米陶瓷能够有效阻止热传导，对流传热和辐射传热这三种热量传递方式，所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上，具有优良的力学性能和光学性能，纳米陶瓷在力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别在高温下硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性。通常硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。纳米级陶瓷微珠可以做为太空面料的外层喷涂，陶瓷微珠具有很高的耐热性，可在1200℃下长期使用，它的质量很小，热喷涂纳米陶瓷涂层具有优异的耐磨、防腐、隔热等性能。纳米陶瓷微珠的喷涂基层应该是碳纤维面料等牢固性好功能面料，⑵纤维基层方面NASA进行大量候选隔热材料研究，包括多孔材料 、相变材料等多种类型。初步的实验研究结果，从隔热效果 、材料柔性 、力学强度 、厚度 、质量 、以及工业技术成熟性等多方面，评估了材料在航天服隔热应用中的优劣性，认为纤维类材料综合性能突出，因此初期的研究主要聚焦在纤维类材料上，最早使用芳纶无纺织物，该织物具有较低的热导率。在复合纤维织物热喷涂纳米陶瓷中，为减小纺织基体与陶瓷涂层的应力梯度，喷涂陶瓷涂层过程中通常先在基体表面制备一层粘结层。气凝胶材料不论在高真空或者低真空下，能较好的满足作为服装隔热性能要求的粘结层⑶目前最常见的气凝胶为无机硅气凝胶 ，硅气凝胶是一种以直径为 1～10 nm的小硅粒子，通过连接形成的高度多孔的网状结构小孔，大小直径约为 20 nm。气凝胶小孔或真空空隙占总体积 的90%或更多 ，气凝胶的结构特点决定了其低密度和低传热特性。最近国内新研制的高温陶瓷气凝胶，这种陶瓷气凝胶具有优异的隔热、耐火、抗氧化(空气中可耐受2小时900℃的高温)和耐高温性，具有良好的柔韧性，可以做为优良的粘结层使用。由于纳米陶瓷微珠的热膨胀系数、弹性模量、晶体结构等与复合碳纤维粘结层的差异较大，因此粘结层与陶瓷层的界面力学性能直接决定了整个材料性能，柔性纤维喷涂纳米陶瓷微珠加气凝胶合成织物材料，还需要得到材料机械性能 、疲劳性能等实验测试结果的验证，对其组成结构不断优化，解决材料与服装整合以及材料粉尘密封的问题使其更加轻薄 、柔软，减少对活动的阻碍，未来空间多目的地探测，新一代航天服应具备良好的防护性能和高效的活动能力 ，同时也将是轻质 、安全 、可靠的系统 。对服装隔热设计提出了更为复杂的系统性要求 ：一方面服装 的防护性能和活动工效要兼顾;另一方面，由于隔热层通常整合需要同时具备较强的综合防护能力 ，轨道出舱时的微流星和辐射防护 ，月面和火星探测时的晕尘防护 ，以及接触物体时的切割 、穿刺等机械防护 。因此需探索不同材料的组合应用方法 ，在真空環境中成熟可靠的隔热性能 ，复合纤维材料在空间环境中的牢固性 、耐久性 、稳定性，以及研发适用于未来先进航天服的柔性防护材料，热喷涂粘结层与陶瓷层界面研究是现阶段未来的发展方向。

参考文献

[1]航空材料学报 杨冬晖、李猛、尚坤 航天服隔热材料技术进步进展

[2]TREVINO L，ORNDOFFE.Advancedspacesuitinsulation feasibilitystudy[C]//30thInternationalConferenceonEn— vironmentalSystems.Toulouse，USA：SAE，2000.

[3]航空材料学报 张志华、王文琴 气凝胶材料的制备、性能及其低温保温隔热应用

作者：孟东升

小型低温真空光学实验论文 篇2：

液态镜面望远镜

水银镜面的大型天頂望远镜，为研制下一代观测仪器提供了极其宝贵的经验。

在加拿大不列颠哥伦比亚省的密林深处，花岗岩的山頂上，隐藏着一泓闪亮的水银池塘。这就是世界上最大的望远镜之一——直径6米的大型天頂望远镜(Large Zenith Telescope，LZT)。它同时也是世界上最大的液态镜面望远镜。

周围的森林萦绕着北美香柏的气味，放眼望去都是无边无际的林海。长途跋涉穿过这片宁静的森林后，站在平静无波、清澈明晰的主“镜”旁边，感觉有些虚幻，就好像身处科幻故事中的宇宙飞船里一样。为了使液体的体积最小，一层仅仅几毫米厚的水银被敷在一个特制的碟形容器上。水银随着碟形容器以每分钟8.5圈的恒定速度旋转，形成一个光滑的、高反射率的抛物面(画圈晃动一杯咖啡时，在杯子的中心就会形成类似的凹面)。再加上矫正镜和其它的望远镜软件，这个巨大的镜面就可以像普通的望远镜一样工作了。

这件举世无双的仪器为许多令人难以置信的新技术扫清了道路。科研人员正在利用LZT对地球大气的研究结果进行下一代超大型望远镜的设计，特别是计划中的30米望远镜(TMT)和39米的欧洲特大望远镜(EELT)。液态镜面望远镜也是巡天工作最经济的方法，而这种工作在普通天文台需要耗费大量宝贵的时间。

简单的优势

Paul Hickson(加拿大不列颠哥伦比亚大学)设计建造了一个天文台并负责管理，LZT就安装在这里。在设计这种特殊类型的望远镜方面，他是世界级权威。作为一个聪明、敏锐，而且富有冒险精神的人，Hickson还会驾驶和制造实验性飞行器，而他的望远镜设计也有来自航空航天方面的灵感。

在着手建造液态镜面天文台的时候，他的团队在大学附近调查了几个候选台址——通过浏览气候数据和地形图，从天空中观察，再坐着吉普车进行实地考察。他们最终选择了这片森林，这里远离城市灯光，比其它的候选地点更好。

LZT的造价相当便宜。建造普通的大型望远镜至少需要耗资上千万美元，而每晚的运行费用也得上万美元，这比液态镜面天文台高好多个数量级，后者的建造费用仅为50万美元。加拿大物理学家Ermanno Borra(拉瓦尔大学)是液态镜面望远镜的先驱，他认为成本是这种望远镜最大的优点。他说：“它的费用仅为普通望远镜的百分之几，这确实非常非常便宜。”

结构简单不但使液态镜面望远镜的造价非常低廉，而且带来了更出色的光学性能。用LZT进行观测，在分辨率上与相同口径的普通望远镜不相上下，观测恒星和遥远的旋涡星系时可以接近大气分辨率的极限。由于液体流动时能够自然地形成光滑的表面，所以液态镜面与玻璃研磨镜面相比，能够轻而易举地获取毫无瑕疵的光学性能，具有制成完美镜面的巨大潜力。

精细地调校硬件才能实现这种完美。控制室中的演示屏可以显示镜面旋转的速度变化：误差仅为百万分之九。当Hickson第一次建造镜面时，转速的误差为千分之一。接下来的抖动使得水银面发生摇晃，破坏了反射图像。

根据镜面的角运动状态，Hickson增加了一个控制系统以稳定转速。他安装了一层只有几微米厚的透明的光学聚脂覆膜。这层薄膜安装在镜面上方几厘米处，并且随着镜面一起旋转。它可以保护液体在圆頂打开时不会遭受风吹，而且可以防止在运动液体上方的空气中形成小漩涡，这些漩涡会产生小波纹，降低图像质量。

正如“大型天頂望远镜”这个名称的字面意思那样，它只能看到天文台正上方的天区：假如镜面倾斜，就会使水银溢出，所以只能垂直朝向上方。研究人员通过“漂移扫描”法部分突破了这一局限，他们延迟了CCD的读出时间，以跟上天空的转动速度，实现了模拟跟踪。尽管如此，它仍然只能进行不需定向的天文观测工作。这座天文台坐落于北纬49°，这意味着，随着地球的自转，它只能观测赤纬49°的带状天区。这种天頂带巡天观测对于宇宙学、超新星搜索等很多种天文学研究工作都非常有意义。

然而，LZT目前并没有参与这些研究。当下，它有一个更重大的任务：通过研究大气中的钠，帮助天文学家设计下一代巨型望远镜。

解决钠的问题

新一代所谓“特大望远镜”，如30米望远镜和欧洲特大望远镜，都面临着巨大的设计难题。这些望远镜的主镜面口径是现今世界上最大的光学望远镜的3到4倍。巨大的镜面使得获取巨大而清晰的图像成为可能，但正是这样的敏感度使得望远镜很容易受到大气扰动的影响，这个问题在小型仪器中是不足为患的。光学敏感度随着望远镜口径的四次方成正比增加，这意味着口径的增加对于望远镜性能有着巨大的影响。

新一代巨型望远镜面临的一个特殊挑战是自适应光学系统。这种系统可以主动改变望远镜副镜的形状来补偿大气抖动造成的图像模糊。有些天文台向大气层中间层中的钠层发射激光束，在天空中制造一个明亮的荧光点，即所谓“引导星”，由此来测量大气的变化。副镜则据此频繁地快速调整外形——有时每秒钟调整1000次以上——以适应激光导星探测到的大气扰动。大型地基望远镜都需要安装自适应光学系统来改善受大气视宁度所限制的观测效果。

大气中的钠分为不同的层次，密度和高度均不相同。海洋般的波纹顺着整个钠层翻滚，这些湍流会导致变化。这些不规律的变化与整个钠层平均高度的变化共同改变着引导星的结构和距离，就会使自适应光学系统发生混乱。甚至于钠层高度出现5米级的变化都会对自适应系统产生影响。

TMT的测量仪器部主任Brent Ellerbroek说：“如果在观测数据中部出现一条流星尾迹，就可以使钠层的平均范围改变100倍以上。”由此产生的误差对于巨型望远镜来说更严重，会与口径的平方成正比增加。这会严重降低巨型望远镜的数据质量。“所以，及时了解钠层是如何演化的至关重要。”

通过研究比自适应光学系统的工作频率高6个数量级以上的时间尺度所获的数据，科学家们推测出了上述结论。在建造耗资10亿美元的天文台之前，必须证实在更小时间尺度上钠层也会按照他们所预想的那样变化，为此他们需要一种方法，以测量大气中钠元素密度的真实变化，并且要有足够的分辨率来校正所有的误差。但目前最好的数据也无法做到这一点。

现在LZT已被证实可以收集到足够精确的数据来解决这个问题。在一个相机传感器出现故障的观测间歇期里，Hickson和他的研究生为LZT安装了一台激光器。这台激光器使得LZT成为了世界上同类仪器中最大的“激光雷达”研究中心，或光雷达研究中心。它与用于产生引导星的激光技术是同样的。

使用激光雷达后，LZT在钠层里分辨出了以前从未看到的涡流和湍流，以及它们的结构和动力学细节。在这些观测数据中还第一次发现了中间层的湍流波纹——钠层同大气中的相邻层之间混乱的相互作用产生的微小波动。

这样一台大型望远镜竟然可以用于激光雷达研究，Ellerbroek对这独特的情况极为赞赏。他说，LZT收集信号的面积范围是其它激光雷达的100倍～500倍，而且它令人难以置信的高灵敏度还使其空间分辨率提高到米的量级，时间分辨率提高到1秒之内。

Ellerbroek说：“对于8米口径的望远镜来说，这并不那么重要。但对于未来的30米～40米口径的望远镜而言，了解在那样短的时间尺度上钠层是如何变化的就十分重要了。”

Ellerbroek还说，他和他的同事们正在利用LZT的激光雷达数据来设计将要用于30米口径TMT望远镜的波前检测装置，甚至会据此决定购买哪种激光器。他解释说：“了解了这些，我们事实上已经可以向自适应光学系统的模拟程序输入数据，以判断正在设计和将要购买的部件在面对钠层变化时是否能良好地工作。”一个精心设计的自适应光学系统，可以让TMT的分辨率比莫纳克亚山上的一台凯克望远镜高出3倍～4倍，而凯克望远镜是目前世界上最优秀的地基可见光和近红外波段望远镜，同时也是衡量其它望远镜性能的标准。

未来的望远镜

尽管LZT不会迅速投入天文学研究，但这架特殊的望远镜将会引领一波液态镜面望远镜的浪潮。Hickson说，他们之所以为天文台选择这样一个地点，是因为这里很适合测试和发展液态镜面技术，实际上这里的晴夜非常少。好天气都集中在短暂的夏季里。

他说：“我们的目标是，一旦这项技术成熟，就力争把一架此类望远镜安置在有相当竞争力的天文台址。”

4米的国际液态镜面望远镜(ILMT)就是这些未来望远镜中的一架。它的建造与LZT无关，但是也受益于密林中的LZT千获取的知识。ILMT将会被安装在喜马拉雅山脉中高海拔的Devasthal地区(在印度西北部——编者注)，那里已经有两座天文台。

更远大的梦想还包括了一个镜面望远镜网络，这让人想起位于智利的阿塔卡玛毫米波/亚毫米波大天线阵。此外，几年前Hickson和Borra还参与过一项提案：将一个口径达100米的离子液体(实质上是熔融的金属盐)望远镜安装在月面上。借助超导轴承和低温真空等崭新技术，它将能帮助天文学家观测到早期宇宙，而且比即将问世的韦布空间望远镜(JWST)在分辨率和观测极限上都更胜一筹。甚至一台小得多的月基液态镜面望远镜，在对JWST的发现进行后续观测时都会非常有效。

Borra甚至说，在未来的几十年里，技术的发展也许可以造就在轨运行的口径达1千米的液态镜面望远镜。他说：“它也许可以用太阳帆驱动，真的是一个庞然大物。”

空间液态镜面望远镜的建议的确得到过认真的考虑。Borra说，在“星座计划”取消前，NASA认为100米口径的镜面将成为重返月球的主要理由之一。虽然NASA的计划改变了，但Borra认为终将有一日会迎来大型月基液态镜面望远镜的曙光。

与此同时，不列颠哥伦比亚省丛林里的这个闪亮的水银池，必将肩负起天文学家对于下一代望远镜的希望。

作者：Eagle Gamma

小型低温真空光学实验论文 篇3：

为科学事业建造强大工具

西班牙的工程、科学和建设公司对世界的知识进步做出了巨大的贡献，其中私营部门涌现的专业知识和技术极大地促成了科学研究机构的前进。

科学家们击碎原子粒子，发现宇宙起源的奥秘。他们聚合原子核，企图再造使太阳燃烧并为其提供无尽能源的条件。研究人员在地球上架设望远镜，向外太空发送卫星，寻求对我们所在的星球、星系以及整个宇宙更深层的认识。在这些庞大的科学项目背后，全世界数百个公司正努力满足科学界的需求，使梦想成真。

西班牙公司参与的主要科研设施的合同价值超过了每年4.2亿欧元。曼纽尔·塞拉诺(Manuel serFano)是西班牙工业技术开发中心(center for the Developreent of Industrial Technology)科学项目的带头人，该机构负责资助研究项目，并帮助西班牙公司进入国际市场。“我们与其他公司合作创新，向科学界提供最先进的科研装备。”塞拉诺说。

他还表示，这些研究成果的价值甚至超越了项目本身：“科研设备的技术开发还有一种值得关注的副产品，即这些技术还能在未来应用于消费类产品。”

失重状态下的锻炼

每次宇航员进入太空，他们的肌肉就开始退化，“在地球上的时候，我们每天都在锻炼

仅仅站着也是一种锻炼，因为我们用肌群支撑起自己的身体但在失重状态下，我们就没有做任何运动，会渐渐失去肌肉质量。”NTE SENER机构的工程经理霍尔迪·杜阿蒂斯(Joldi Duatis)介绍道.位于西班牙巴塞罗那的NTE-SENER机构是肌肉萎缩研究与训练系统(MARES)项目的主要负责机构以目前的标准，当离开地球大气层以后，宇航员每天大约锻炼两个半小时科学家想要更详细的信息，确切地了解在失重环境下，他们的肌肉会怎样，而进行锻炼是不是保持健康的最好方式，MARES的这一实验室原形，是一个测试脚踝和肘关节肌肉状态的小型系统，还无法应用于人体的全部肌群。

为了研究这些问题，并帮助设计一个将宇航员的健康最优化的计划，欧洲航天局(Europcan Space Agency、ESA)与美国国家航空航天局(NASA)利用NASA的人体研究设备合作开展了MARES项目，MTE-SENER机构获得了该系统的合同，该机构从15年前就开始研发这个概念了。

通过与欧洲航天局及其宇航员密切合作，NTE-SENER机构的工程师创建了一个拥有超过100个不同机械元件的工具，可以组合成不同的结构，区分11种不同的肌群，并在不同的肌肉收缩模式中用不同的力对它们进行测试。

宇航员将自己绑到一个可调节的椅子上，上面有控制杆、连接器、利垫和手柄杜阿蒂斯表示，“这就像一场你和机器之间的较量”测试中的所有信息都会传输到一台笔记本电脑上。

在MARES整个开发过程中，从最初的设计阶段到最后的产品阶段，宇航员都要到巴塞罗那的测试设备上参与开发。以保证宇航员在宇宙空间能够顺利的自行装配该系统，第一个科学试验有望于2011年春天开始。

外太空设计

将在太空中运行的卫星，比如其镜头的对准角度等等调试，需要在地球上先行进行测试。西班牙泰事达集团(Telstar)旗下的泰事达真空解决方案公司(Telstar VacuumSolutions)，利用其真空系统的专业知识设计航天器的测试舱。

“必须要在模拟太空环境的情况下测试卫星，这也就意味着要重现一个真空的、极端温度范围从-190℃到180℃的环境。”泰事达真空解决方案公司的主管费兰·科斯塔斯(FerranCostas)表示。

该公司设计的舱室能达到超高的真空条件，并承受很大的温度变化，涵盖了用来测试单个电子设备的小型舱到测试探测卫星仪器的大型舱。

工程公司Sener从事太空领域的研究已经40多年，甚至早于欧洲航天局的正式创建。该公司开发了瑞典的基律纳发射基地，并且“有能力建造卫星上的任何活动部件。”Sener公司太空部门的主管迭戈·罗德里格斯(D1ego Rodriguez)说。

该公司目前正在为欧洲航天局的新卫星Gaia建造遮阳板。Gala灵敏的望远镜将帮助创建银河系的三维地图。“通过一把直径11米的大伞，保护望远镜免受太阳的伤害。一旦卫星进入太空，这把伞就要部署到位。”罗德里格斯介绍道。

安装遮阳伞的需求引发了一系列复杂的问题，例如，如何在尽可能小的空间里安装尽可能多的部件，增加的质量要尽可能少，还要确保它的机械和材料不会受温度变化的影响，更不能在打开时出故障。“这是一个非常重要的关键点，如果我们不能正常将它打开，任务就失败了。”他解释道。现在Sener公司正在欧洲航天局的舱室中测试遮阳板的打开。

Sener公司为NASA的新的火星探测器Mars Rover制造了天线指向机械系统。“在火星上，这个机械系统备受考验，因为尘埃很稀疏，而且到处都是，会和润滑油混合。”罗德里格斯这样描述，“最好(的方法)是用一种柔韧的材料保护连接处，它既能跟着运动，也能使所有的连接处保持密封。”Sener公司还在为未来的欧洲火星探测器设计钻孔机。

总部设在马德里的一家国际技术公司英德拉(Indra)拥有大约3万名员工，公司有一个专门致力于太空事务的部门。英德拉公司的一个团队，负责为欧洲航天局的一颗用于测量土壤湿度和海水盐分(Soil Moisture and Ocean Salinity，SMOS)的卫星的地面站点和数据处理中心提供硬件和软件，以接收来自卫星的数据并传送给科学家们。该卫星已于2009年11月发射。

Mier公司在半个多世纪前就开始研发天线，25年前开始为通信和研究卫星研发应用。“我们公司技术的根基与高频无线电的应用有关。”Mier公司总裁和首席执行官佩德罗·迈尔(Pedro Mier)表示。Mier公司的天线技术可以用来扩大极微弱的信号。

SMOS任务的科学团队需要寻找并测量由土壤湿度或海水盐分变化引起的信号变化。Mier公司设计了能捕捉千里之外的这些微弱信号的微波传感器，以及用于提取数据的信号处理器。“我们与欧洲航天局合作了十年，开发了三种版本的技术，最后我们开始涉足卫星本身的建造。”迈尔说。

该卫星提供了第一份全球海水盐分地图，这与气候变化的研究相关，因为海洋中盐的浓度变化会影响帮助调节全球气候的洋流。来自SMOS的首份地图于2010年6月在挪威举行的活力星球论坛(Llying Planet Symposium)上进行了展示。

英德拉公司为欧洲的卫星导航系统伽利略(Galileo)在全世界建造地面站点，并开发这些站点使用的处理软件。天线、监测系统和控制软件使得英德拉公司的工程师能实时处理伽利略的信息。为了创建高清细节地图，使得地区、省市和国家层面的规划者能获得城市与城市间的比较信息。英德拉公司还参与了一项工程，它将利用观测卫星(以及飞过城市的

飞机)发出信号，根据返回的信号，整合关于土地利用的所有完整信息。目标是绘制出欧洲500个最大城市的地图。

凝视苍穹的眼睛

AVS公司(Added Value Solutions)开发机电一体化设备，用于太空和极端的研究环境，可以承受真空、辐射、低温和高磁流。AVS公司的技术为欧洲各国生产粒子加速器和聚变研究设备。

最近AVS公司开发了一种新颖的从地球观测太空的方法。指向天空的望远镜焦面上装有受控制的密集光纤，对应在给定的光测目标。“将直径一米的焦面分割成很小的单元，每个单元中的光纤移动就能跟随天空中的某个目标。”AVS公司的主管米格尔·安琪儿·卡莱拉(Miguel Angel Carrera)解释道，“所以如果把一个平面分割成更小的1000个单元，每个单元对应一个光纤，那也就是说在单次曝光中，实际上就能捕获天上的1000个目标，跟踪并同时补偿地球相对于天体的运动。”

AVS公司开发了一个新的机械臂来定位这些光纤，将焦面分割成8000个对焦点。AVS公司的解决方案改良了一个劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley Laboratories)相似的技术。该公司与劳伦斯伯克利国家实验室合作，在2010年秋天向美国能源部展示新的系统，并申请资金支持。

Fractal公司由前大学教授玛丽莎瓦加斯(MarisaVargas)创建，该公司最早是为西班牙大加那利岛上的大型望远镜Gran Telescopio de Canarias(GranTeCan)提供顾问服务，并领导了一个负责该项目设备的小组。瓦加斯解释道，她创建这个公司是因为“大学里没有大型的跨学科工程小组，制造科学研究所需的复杂设备。”Fractal公司在科学家和工程师之间架起了一座桥梁，帮助把科学构想转化为有用的器械。在最近的一个项目中，Fractal公司与马德里的一所大学合作，负责管理新型摄谱仪的研发(通过它，光线被分成不同的波长)，打算用于GranTeCan望远镜上。

制造如此大型又昂贵的设备的一个主要关注点在于材料的耐久性。Cryobest公司掌握了一项技术，将金属材料在极端低温-180℃的条件下，使晶体结构发生改变，增加材料的耐磨性、稳定性、韧性和传导性。这个技术的关键之处，涉及降温至-180℃过程之中的不同阶段，而不是一下子低温冻结。“这个过程也更高效，能够用12～13小时，而不是20～30小时就达到一样甚至更好的结果。”Cryobest公司的总裁和首席执行官路易斯·安琪儿阿拉瓦(Luis Angel Alava)表示。在欧洲宇航局2009年发射的望远镜中，该公司用这项技术提供了大型铝元件——镜片衬板(optical bed)。

Cadinox公司是一家成立于1956年的家族企业，从事工业加工的焊接和机械制造，之后涉足西班牙当地的科学研究项目，现在已将业务扩展到大型的科学设备领域。该公司负责人安东尼‘伊萨斯蒂(Andoni Isasfi)介绍：“我们用先进的工艺切割和焊接原材料。例如，在真空压力下的坦克，焊接和机械加工的要求相当严格。”因此该公司进行表面和超声波测试，避免焊接中的任何裂缝或瑕疵。“这是工匠手工完成的工作。”伊萨斯蒂接着说道，“我们的经验和知识意味着我们知道怎样制造出客户需要的东西。”

建造大型望远镜的结构涉及到很复杂的工程。拥有超过2300名员工的Idom公司有一个专门研发先进解决方案的部门。尤其是科学结构方面。“科学家们总是挑战并要求最完美的解决方案，因此我们通常没有现成的产品，永远需要寻求更新的解决方案。”Idom公司先进设计及分析部门的首席工程师阿玛依雅·萨罗阿(Amaia Zarraoa)说。

该公司的工程师目前正在研究欧洲特大望远镜(EuropeanExtremely Large Telescope)的建造结构，它是世界上最大的光学望远镜，位于智利阿塔卡马沙漠的一座山上。高约250英尺(约76米)。直径260英尺(约79米)，这个望远镜将安装在一幢可旋转的建筑里，开合的巨窗使得光线照射到镜片组上。“这是一幢重达6000吨的建筑，而且整个建筑都会移动。挑战在于根据望远镜的精度要求设计旋转机制，使结构在移动时不会对望远镜的观测带来影响。我们要精确到毫米移动整个结构，”Idom公司天文项目的业务发展经理盖兹卡·穆加(Gaizka Murga)表示。公司最近得到了先进技术太阳望远镜(Advanced Technology Solar Telescope)项目的合同，该望远镜将建造在毛伊岛上。

布拉米诺·费托(Belarmino Feito)创建他的公司Asturfeito时，它只是一家位于西班牙北部阿斯图里亚斯铁矿区的一家修理店，并一路发展成为防卫和采矿行业的分包商。2000年的时候，公司已经发展了很多员工，在许多领域积累了经验，并开始走出西班牙将业务开展到许多国家，包括法国、瑞士和德国。大约20年前，他的公司为大型强子对撞机(LargeHadron Collider)制造复杂和精确的部件，从而为他公司后来的发展壮大奠定了基础。

Asturfeito公司现在拥有NASA太空部门的合同，为智利一个叫做ALMA的新型望远镜制造天线，它是世界上最大的望远镜之一。“这需要很高的技术诀窍和精确性，天线的质量可能超过70吨。”费托表示。

探索宇宙的起源

隐藏在地表300英尺(约91米)之下，17英里(约27公里)的环形隧道内。大型强子对撞机在一个轨道中以接近光速抛出亚原子粒子，并让它们彼此碰撞，以探索宇宙起源的奥秘。大型强子对撞机由欧洲核子研究中心(Organizationfor Nuclear Research，CERN)建造，花了16年的时间耗资100亿美元。从2010年春天开始粒子对撞实验。

这个机器是世界上最大的对撞机，要求供应商提供的部件具有极高的精确性，以满足精度标准。粒子飞过的管子要保持高度的真空，避免任何气体粒子进入。整个系统的温度低至271℃，比外太空更冷，碰撞粒子产生的温度可能比太阳的内核高10万倍。

来自世界各地的公司都在为对撞机提供部件和专业技术，其中有35家西班牙公司。该项目的科学器材通常只与那些已在相似设备上有成功经验的公司合作。西班牙的DMP公司成立于1999年，曾为航天市场研发了核心的商用机械部件，这需要很高的精确性。“所以在全球的航天领域，在制造复杂部件方面，我们找到了小小的立足之地。”公司的营销总监菲利普·鲁莱特(Philippe Roulet)说。

鲁莱特为日内瓦的欧洲核子研究中心联系了一个采购者，他表示：“我们发现科学设备领域也需要非常精确的部件，当时采购者说，‘抱歉，我们对航天市场不感兴趣，因为没

有我们需要的精确性。’我坚持不懈，并寄去了我们制造的复杂部件的图片。”

鲁莱特的坚持有了回报。欧洲核子研究中心的采购团队将一个很难加工的小部件交给了DMP公司。这个部件只有德国的两家大公司，使用特殊的设备才能够制造。DMP公司仅用传统的制造工艺，并没有使用先进的计量学或测量技术，也同样达到了精度要求。鲁莱特解释说，“我们非常了解机械、工具和材料的原理，然后可通过补偿和纠正的方法，保证质量要求。”

DMP能以德国大公司相同的精度加工部件，并且成本更低，从而得到了为对撞机制造其他部件的任务。“我们是一家小公司，位于西班牙的巴斯克自治区。但是现在，有了欧洲核子研究中心的认可，我们马上就可以将这些经验和技术资本化。”

Elay是一家主要为汽车领域生产工具和部件的机械公司，它是世界三家能用精密冲裁工艺制作部件的公司之一，已为欧洲核子研究中心生产大约800万个部件，占该中心该部件用量的40%。Swisslan是一家在高精度复杂部件制造方面拥有专业技术的公司，按照其创始人安琪儿·伊巴鲁茨(AngelIbarluzea)的说法，这是“其他公司不想涉及的”领域。该公司正在为欧洲核子研究中心的实验制造许多先进、复杂的部件，由纯铜制成。Antec也是一家总部设在西班牙北部的公司，为国际粒子加速器设计并制造普通和超导磁铁。

在一个弯曲的轨道中，例如大型强子对撞机的轨道，超导磁铁产生的电磁场使得粒子在既定轨道运行。“普通磁铁无法产生足够强大的电磁场。”Elytt公司的业务经理埃托尔·艾申迪亚(Aitor Echeandia)说。Elytt公司成立于2002年，其创始人是一些为重点科研机构研究超导磁铁的工程师。

艾申迪亚还表示，“我们必须用到许多不同的技术。我们在超导电缆和低温工程方面有很强的专业知识，因为超导磁铁是用氦降温的。同时我们也需要了解真空技术。然后这一切技术要素都要整合在一起。”

磁铁要放在极其精确的位置，以发挥它们的关键作用，驱动粒子前进。Fagor Automation公司负责安放这些磁铁，利用直线式编码器，光栅尺传感器以纳米精度编码并安放这些磁铁。编码器的直线式光栅尺包括一个微米级别的、与条形码类似的编码，这是用特殊的光学原理制作的。编码数据被转化为确定光栅尺以及磁铁位置的信息。“你需要很高的分辨率把磁铁移动最小的单位，同时要辨别出这样的移动。”FagorAutomation公司的总经理佩德罗·鲁伊斯(Pedro Ruiz)表示。该公司一直在完善它的直线式编码器，这些编码器是在特别隔离的舱室里建造的，能在纳米级别安放材料，而不受到干扰，比如外部震动的干扰。

再造太阳

Elytt公司为大型强子对撞机制造超导磁铁的经验，使得它能为一个新的聚变项目——国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)制造并供应超导线圈，这个实验堆将建造在法国南部的卡达拉什。这个几十亿美元的项目将是世界上最大的聚变实验，涉及欧盟、美国、俄罗斯和亚洲的多个国家。ITER试图重现为太阳提供能量的反应条件，以制造出潜在且源源不断的可再生、零碳能源。

磁场可将等离子体驱离舱室壁。为了创造出这些区，该项目需要比以往建造过的任何线圈都更大的超导线圈。每个线圈大约长48英尺(约15米)，宽18英尺(约5米)，重约300吨。作为这个项目的领军者，西班牙电力公司Iberdrola将监管设计和研发，并负责质量控制和施工。Elytt公司正与意大利的ASG Superconductor公司合作进行研发、设计和制造。项目的第一阶段是研发并生产一个实体模型，这需要花两到三年的时间，艾申迪亚估计最后的建造还需要五到七年的时间，将涉及大约10个不同的制造步骤。

创造磁场还需要一个被约束等离子体的电流。这个过程所需的极强的电力系统是西班牙北部Jema集团的强项，该集团自1953年开始提供电力设备，如发电厂的安全电力系统，以及实验室设备的先进系统，包括聚变反应堆和粒子加速器。20世纪80年代末，该公司为西班牙政府的聚变研究实验室提供了第一个固态高压电力供应系统，为实验聚变反应堆的等离子体加热提供能量。之后该公司的业务开始涉足欧洲其他的聚变实验室。lema集团的工程经理弗朗西斯科·加西亚(Franci’sco Garcia)说，“关于这些高技术的项目，市场只局限于几个潜在的供应商。被认可的过往经验是获得新客户的关键。”

Jema集团最近为在英国进行的欧洲联合环形加速器(Joint European Torus，JET)完成了四个17兆瓦的用于加热等离子区的高压电力供应，这是目前为止最大的核聚变实验。“在充满氢气的舱室中，必须达到高温高磁约束，来产生聚变反应。”加西亚解释道，“需要有很强电力供应的强大磁铁。“如果注入超强的电力，比如20兆瓦，那必须在几微妙内结束它，这是个很高的要求。”为了做到这一点，该公司从电网中获取电力，储存后经过几个阶段的变压，以达到客户需要的电力和电流，并能根据指令迅速地供电和切断。

Jema集团在欧洲聚变实验堆上的经验使它有资格争取ITER新设备的供电合同。“这将是世界上第二大的科学合作项目，仅次于国际空间站项目。我们在聚变领域已经获得了很多认可，下一个目标是ITER。”加西亚说。

ITER的高度真空状态防止任何游离的粒子干扰反应。在反应堆里，特殊的容器能捕获聚变反应的副产品。研究团队需要开发一个能远程操纵这些容器的机械手，泰事达公司拥有真空容器测试和太空技术经验，获得了设计、制造并供应这些机械手的合同。

“一个单位的负载近10吨，必须在真空条件下操作，并且不破坏ITER容器的真空状态。”泰事达公司的科斯塔斯表示，“它们还必须承受热和聚变带来的高辐射，即使聚变反应结束后，容器内仍是辐射环境。”这个问题及其解决方案的一个例子是，大多数液压装置中所用的液压油不能承受这样的辐射，因此泰事达公司为ITER使用了以水为基础的润滑剂。

ITER的潜在目标之一是取代核能发电，而从事核能发电的大型公司能提供大量所需经验，设计ITER的基础设施和系统，帮助确定安全规程。创立于1971年的Empresarios Agrupados是一个为核领域提供服务的工程公司。“除了建造西班牙的核能发电厂，我们目前还参与了欧洲所有的核反应堆工程。”Empresarios Agrupados公司的高级项目经理特莉萨·多明格斯(TeresaDominguez)说。该公司在满足工程需要方面，例如在大型和复杂结构方面的背景，使它能胜任为ITER设备设计建筑，并为试验聚变发电厂计算配电系统的工作。

许多西班牙公司首先是通过西班牙国家聚变实验室(spain’s NationalFusion Lab)参与到聚变领域的，该实验室于上世纪80年代早期开始与美国的橡树岭国家实验室(0ak Ridge National Laboratory)合作开展研究工作。西班牙的实验堆建于20世纪90年代中期，60%的合同给了西班牙的公司。“当时，那些合同并不需要最高水平的技术，都是较容易达到的要求，例如电力设备和基础设施。”聚变实验室的负责人华金·桑切斯(Joaqum Sanchez)说。

但是在西班牙获得项目经验以后，许多公司开始竞争欧洲水准的项目，技术和复杂性都有了很大的提高。“它们在这个市场上变得更有信心，对它们来说这不再是新领域了。”桑切斯表示。

桑切斯接着介绍道，ITER的预算来自于多个国家的支持，大约15%是现金，其余的85%是劳务赞助，但是公司必须要有能满足要求的技术经验和专业知识。因此，对西班牙聚变研究进行指导的研究机构CIEMAT，已经获得许可开始了一个开发新的聚变技术的项目。桑切斯指出：“一切从头开始并且获得一张合同并不容易，如果你已经在这个体系中，并且知道确切的需求，那就好多了。”付出已经有了回报，据桑切斯介绍，2010年西班牙公司获得的合同总值达到9000万欧元。