激光加速器為深空輻射環(huán)境模擬提供新方案

文／本刊記者 畢文婷

“空間輻射是制約深空探測發(fā)展的核心問題之一?！痹?月19—21日召開的香山科學(xué)會議上，中國科學(xué)院院士、上海科技大學(xué)副校長李儒新提出，“為保障航天任務(wù)的順利執(zhí)行，需要在地面開展相關(guān)的空間輻射效應(yīng)環(huán)境模擬，評估相關(guān)因素的危害，激光加速技術(shù)提供了環(huán)境模擬的新思路”。本次會議上，與會專家圍繞激光加速器和深空探測的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，開展了深入討論。

應(yīng)用激光加速技術(shù)模擬空間輻射環(huán)境更真實(shí)

“由空間環(huán)境引起的航天器故障占總故障的40%以上?！惫枮I工業(yè)大學(xué)教授李立毅告訴科普時(shí)報(bào)記者，“由于高真空、微重力、電磁輻射、粒子輻照等空間環(huán)境的特殊性，單一或綜合作用下產(chǎn)生的復(fù)雜效應(yīng)會給航天器的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響?！?/p>

“在進(jìn)行地外天體探索時(shí)，面臨的空間輻射環(huán)境比近地空間更復(fù)雜、更惡劣?！崩钊逍卤硎荆捎谏羁窄h(huán)境中粒子種類多，輻照能譜寬，高能粒子的能量、通量及覆蓋范圍也遠(yuǎn)高于地球輻射帶。這些輻射不僅會對航空航天器產(chǎn)生影響，甚至還會威脅航天員生命健康，導(dǎo)致癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加、中樞神經(jīng)損傷、免疫功能變化、骨骼與肌肉等微結(jié)構(gòu)改變等，給深空探測任務(wù)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為進(jìn)一步了解空間環(huán)境的具體情況，利用在軌平臺進(jìn)行飛行試驗(yàn)是最準(zhǔn)確的評價(jià)手段，但由于其時(shí)間長、難度大、成本高，世界各國已紛紛將目光投向更易實(shí)施的地面模擬裝置。

“但這些模擬裝置通常只能提供單一種類、單一能量的輻射粒子，與空間輻射環(huán)境中復(fù)雜的多種粒子、寬能譜的混合輻射場存在較大區(qū)別?！敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員賓建輝直言，目前所用的模擬裝置都是基于傳統(tǒng)的加速器技術(shù)，在模擬真實(shí)的空間環(huán)境中存在著一定的困難。全新思路是利用激光加速技術(shù)，通過激光與固體靶的相互作用加速出多粒子束流，實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，激光加速可以產(chǎn)生包含高能質(zhì)子、電子等混合輻射場、超高的加速梯度，以及更寬的能譜分布，更接近于真實(shí)的空間輻射環(huán)境。

帶來全新機(jī)遇與挑戰(zhàn)

“利用激光加速裝置進(jìn)行空間環(huán)境模擬已成為國內(nèi)外研究的前沿方向之一?！敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所副所長冷雨欣表示，國際上已經(jīng)建立或正在發(fā)展多個(gè)重頻超強(qiáng)超短激光裝置，且基于更高平均功率的超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的更高亮度次級輻射束線平臺也被美國、歐洲等列入發(fā)展計(jì)劃。“上海光機(jī)所成功研制的世界首臺10拍瓦超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置，創(chuàng)下了國際最高激光峰值功率紀(jì)錄。”他說。

“建設(shè)基于激光加速的空間輻射效應(yīng)模擬裝置還有若干科學(xué)問題等待解答。”李儒新認(rèn)為，近期的研究目標(biāo)是開發(fā)高重頻、高性能、高功率、小型化的新一代驅(qū)動激光，研發(fā)穩(wěn)定可控的寬譜多粒子束流混合輻射源，發(fā)展新型脈沖粒子診斷技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對混合輻射場的瞬態(tài)測量，并研究激光加速產(chǎn)生的短脈沖粒子束流對電子器件和生物體輻射效應(yīng)的影響機(jī)制等。

“激光加速器與深空探測，既有挑戰(zhàn)也有機(jī)遇。激光加速器形成的輻射場具有重要應(yīng)用價(jià)值，對深空探測和國內(nèi)耐輻照器件的發(fā)展有迫切需求。”中國工程院院士、西北核技術(shù)研究院研究員歐陽曉平與中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理論物理所研究員蔡榮根均看好激光加速器在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

與會專家呼吁，希望有更多領(lǐng)域、更多學(xué)科專家融入進(jìn)來，通力合作，開拓輻射效應(yīng)機(jī)理研究的全新途徑，建立空間輻射生物效應(yīng)及風(fēng)險(xiǎn)評估體系，建立器件和生物學(xué)的相關(guān)輻射檢測及指標(biāo)，共同推動我國自主研發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間輻射環(huán)境模擬大科學(xué)裝置建設(shè)。