“慧眼”誕生的奮斗歷程

老一代科學(xué)家李惕碚和吳枚先生雖然成功解決了“成像”難題，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，但在望遠(yuǎn)鏡研制和項(xiàng)目實(shí)施過程中仍然面臨一系列技術(shù)障礙。比如衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)方面，為保證有效載荷探測(cè)精度，必須將高能、中能、低能探測(cè)器集中安裝在同一支撐結(jié)構(gòu)上，但它們對(duì)溫度的要求相差極大。有些靈敏的儀器設(shè)備必須在-80℃至一60℃的低溫下才能正常工作?！盎垩邸毙l(wèi)星工程總工程師、航天科技集團(tuán)五院研究員馬世俊和研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員相互啟發(fā)、集中攻關(guān)，終于琢磨出多級(jí)隔熱措施、深冷熱管技術(shù)、梯度溫度加熱等妙招，成功解決了這一難題。

在“慧眼”20年的研發(fā)歷程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在不斷根據(jù)最新科學(xué)發(fā)展調(diào)整設(shè)計(jì)方案。最主要的變化是，“慧眼”在最早設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上增加了低能和中能X射線探測(cè)器，把望遠(yuǎn)鏡能夠覆蓋的觀測(cè)能區(qū)范圍擴(kuò)大到1千電子伏至250千電子伏。對(duì)于中子星、黑洞吸積等高能天體，不同能區(qū)的光子來自天體周圍的不同物理環(huán)境，所以更寬波段的觀測(cè)將能夠獲得空間結(jié)構(gòu)和氣體運(yùn)動(dòng)的更多關(guān)鍵信息，比如超新星周圍氣體殼層的膨脹、黑洞吸積與周圍氣體環(huán)境的相互作用等。另外，衛(wèi)星上還搭載了空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星所處環(huán)境內(nèi)帶電粒子的方向和能譜，為科學(xué)觀測(cè)提供本底水平的估計(jì)。另外，根據(jù)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可以推算太空不同高度的高能粒子流量分布，保障在軌衛(wèi)星運(yùn)行的輻射安全，并為衛(wèi)星的抗輻射設(shè)計(jì)提供參考。通過這些技術(shù)升級(jí)，使得“慧眼”從最初設(shè)想的單純硬X射線成像儀發(fā)展為綜合性的空間科學(xué)觀測(cè)平臺(tái)。

“慧眼”的科學(xué)系統(tǒng)包括高中低能三大探測(cè)器。三支研發(fā)隊(duì)伍都分別遇到各自的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但他們憑著鍥而不舍的進(jìn)取精神、深厚的科學(xué)素養(yǎng)和敏銳的創(chuàng)新才智，大大小小的困難、障礙都被逐一徹底攻破。

高能團(tuán)隊(duì)：徹底放棄依靠進(jìn)口的幻想

在核心載荷高能望遠(yuǎn)鏡的研制過程中，橫空跳出的一大攔路虎就是國(guó)際技術(shù)封鎖。研制初期需要進(jìn)口某一個(gè)型號(hào)的探測(cè)器，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與外方簽訂了進(jìn)口合同，但之后被該國(guó)有關(guān)部門叫停。面對(duì)困局，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)橫下一條心。在壓力下奮起，走上自主研發(fā)的道路。為了儀器的研制和組裝，高能探測(cè)器團(tuán)隊(duì)主任設(shè)計(jì)師劉聰展在實(shí)驗(yàn)室和國(guó)內(nèi)外許多原件廠商之間來回奔波。

經(jīng)過無數(shù)次的嘗試，劉聰展團(tuán)隊(duì)從未向失敗低頭，他們的頭腦更加敏銳，能夠不斷調(diào)整方案，朝著成功逐步有序邁進(jìn)。最終經(jīng)過29輪試制，完成30多個(gè)樣品，終于達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。當(dāng)樣品通過實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，不僅團(tuán)隊(duì)成員倍感欣慰，合作廠商也表示在整個(gè)研發(fā)過程中獲益匪淺。劉聰展博士向公眾媒體介紹說，“我們教會(huì)了他們一整套的設(shè)計(jì)方法，怎樣通過計(jì)算有方向性地嘗試，怎樣提高熒光的收集效率，他們對(duì)此也感到十分滿意”。

不僅如此，高能探測(cè)器具有的快速連續(xù)處理光子的能力甚至大大超過了國(guó)外同類設(shè)備。劉聰展對(duì)此解釋說：“我們專門為此進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，來縮短‘死時(shí)間。雖然我們的高能探測(cè)器是世界上面積最大的，但是它的‘死時(shí)間比別的探測(cè)器要短得多，我們丟失的光子也會(huì)比別的探測(cè)器少得多，探測(cè)到的信號(hào)也更多更準(zhǔn)確。這對(duì)幫助我們最終搞清楚X射線天體的輻射機(jī)制是非常有幫助的。”

中能團(tuán)隊(duì)：海選出一塵不染的探測(cè)器

曹學(xué)蕾博士2006年開始負(fù)責(zé)“慧眼”衛(wèi)星中能望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)。在此之前，他已連續(xù)參與了“嫦娥1”號(hào)到“嫦娥3”號(hào)上的X射線譜儀的研制工作。中能團(tuán)隊(duì)自主試制的硅一PIN探測(cè)器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室取得了非常好的測(cè)試效果，測(cè)量X射線能譜的響應(yīng)率和穩(wěn)定性都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。如果這些探測(cè)器都從國(guó)外訂購(gòu)，價(jià)格將是一個(gè)天文數(shù)字。自主研發(fā)的順利進(jìn)展讓團(tuán)隊(duì)成員都信心滿滿。

然而，接下來探測(cè)器還要走出實(shí)驗(yàn)室的象牙塔，面臨一系列嚴(yán)酷的航天篩選試驗(yàn)。整個(gè)過程中，最艱難的技術(shù)挑戰(zhàn)是保證探測(cè)器芯片處于超凈環(huán)境。任何一點(diǎn)微小的污染和雜質(zhì)，都可能造成芯片內(nèi)的暗電流飆升，輕則嚴(yán)重降低探測(cè)效率，重則導(dǎo)致探測(cè)器毀壞。

“慧眼”有效載荷總設(shè)計(jì)師盧方軍研究員介紹說：“國(guó)外探測(cè)器都用對(duì)X射線吸收較弱的鈹片密封，但是鈹?shù)恼羝袆《?，受相關(guān)法律法規(guī)限制，不能對(duì)探測(cè)器進(jìn)行封裝密封，在電裝和測(cè)試過程中很容易造成污染?！睘榱酥圃斐龊细竦姆庋b探測(cè)器，唯一的辦法就是制作超大量的樣品，再?gòu)闹泻Y選出合格的產(chǎn)品。據(jù)曹學(xué)蕾介紹，團(tuán)隊(duì)總共制作了18000枚裸芯片，從中篩選出4500多枚，最終制成了880個(gè)探測(cè)器，其中有400多個(gè)順利安裝在衛(wèi)星上。

最終，中能團(tuán)隊(duì)拼盡全力用“海選戰(zhàn)術(shù)”成功造出了“一塵不染”的探測(cè)器。回憶當(dāng)時(shí)的困難情景，曹學(xué)蕾說自己“覺也睡不著，腿像灌了鉛一樣。但從來沒想過要放棄，而是要用盡所有辦法去解決難題”。

低能團(tuán)隊(duì)：用一根毛的刷子掃掉故障

2005年，負(fù)責(zé)低能望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的陳勇研究員去英國(guó)的盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，看到了準(zhǔn)直器、SCD探測(cè)器和遮光膜等許多先進(jìn)原件，這些都是X射線望遠(yuǎn)鏡的重要部件，國(guó)內(nèi)甚至都沒有見過。“準(zhǔn)直器可以限制X射線的入射方向，而遮光膜可以過濾可見光和紫外線，只讓X射線透過。簡(jiǎn)直不敢想象，準(zhǔn)直器可以做得那么精巧，遮光膜可以做得那么薄?！标愑略隗@奇的同時(shí)，也感慨憂心國(guó)內(nèi)技術(shù)水平的顯著差距。但是，巨大的落差沒有讓陳勇泄氣，反而激發(fā)了他的斗志。陳勇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過不斷琢磨和反復(fù)試驗(yàn)，研制出了厚度只有幾百納米的遮光膜以及和盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室同樣精巧的準(zhǔn)直器。

和其他兩個(gè)團(tuán)隊(duì)一樣，在實(shí)驗(yàn)室品嘗到喜悅之后，進(jìn)入了衛(wèi)星安裝測(cè)試，第二波困難的沖擊又開始了。2012年，兩套樣機(jī)放到衛(wèi)星上開始進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試?！耙幌伦用俺鰜砗芏鄦栴}。那段時(shí)間，每天都加班，夜里兩三點(diǎn)才回家，可問題老也解決不了。”低能望遠(yuǎn)鏡副主任設(shè)計(jì)師崔葦葦回憶說。陳勇指出，這些問題主要來自軟件方面：兩套樣機(jī)共64路探測(cè)器，程序上多一個(gè)空行段落，都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的同步運(yùn)行造成不可預(yù)見的影響，需要逐一排查修正。崔葦葦為每個(gè)版本的樣機(jī)都做了詳細(xì)的記錄，筆記本記滿了十幾本。最后終于通過聯(lián)調(diào)測(cè)試，渡過這一次危機(jī)。

2014年，低能望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)又經(jīng)歷了一次“歸零”。做真空試驗(yàn)的時(shí)候，有半個(gè)機(jī)箱的探測(cè)器出了問題。根據(jù)中國(guó)航天系統(tǒng)多年的慣例——“故障歸零制度”，只要發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)兒故障，不管大小，必須推倒一切從零開始。于是機(jī)箱的幾百塊電路板被拆開，開始挨個(gè)接受排查。陳勇研究員向媒體介紹：“經(jīng)過來回分析，（我們）認(rèn)為可能是某個(gè)探測(cè)器的兩個(gè)電極之間落了點(diǎn)東西造成了短路。我們就把這個(gè)探測(cè)器取下來，用顯微鏡放大了200倍，果然看到有一個(gè)幾十微米大小的東西。這個(gè)連肉眼都看不見的異物，該怎么清除呢？我們買了一支毛筆，剪得只剩下一根毛，用這支只剩一根毛的毛筆把它掃掉了?！?/p>

在這么多幕后英雄的努力下，“慧眼”使中國(guó)首次具有自主獲取空間高能天體原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的能力。按照國(guó)際慣例，它獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)將為中國(guó)科學(xué)家優(yōu)先使用。在中國(guó)科學(xué)家專項(xiàng)應(yīng)用一年之后，這些數(shù)據(jù)將同時(shí)向全世界開放，以促進(jìn)世界空間科學(xué)研究的發(fā)展。

感謝中科院蘭州近代物理研究所和國(guó)家天文臺(tái)的王培博士、高能物理研究所葛明玉博士幫助修改本文，并提供寶貴資深的專業(yè)指導(dǎo)意見。