空间质子探测仪器定标的10MeV质子束源需求分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院国家空间科学中心 作者:杨垂柏

  分析了国内空间质子探测现状及其向着宽量程、高精度的发展趋势,并对比分析了国内外空间粒子探测仪器地面质子束源。依据空间质子能谱范围,从技术指标和业务运行角度,给出了空间质子探测仪器定标束流的加速器类型、离子源类型及束流输运和总体布局等方面需求。

  引言

  我国自1970年代开展空间环境探测以来,中科院空间中心等单位研制了各类空间粒子探测仪器,应用于国内各个轨道的卫星、飞船、空间实验室等,获得了大量空间粒子环境数据,为航天器安全运行保障和科学研究提供服务。

  空间粒子辐射探测的其中一项重要任务是对空间中的质子的测量,测量能谱、方向等。空间质子存在各个日地间区域、日球层及其他区域,来自太阳、宇宙线以及行星辐射带。空间质子可能造成航天器的辐射剂量效应、原子位移效应及单粒子效应等,这些效应轻者导致航天器性能下降,重者造成系统失效。风云一号(B)卫星便是由于单粒子效应,造成自控系统损坏,而整星失效,损失巨大。

  通过对于空间质子通量、方向等方面进行探测,获取空间质子的能谱分布、区域分布以及变化规律等方面。从而一方面为空间粒子演化规律等研究创新提供数据支持;另外一方面为航天设计提供保障。为保证科学仪器在轨可以实现任务目标,在地面开展仪器定标是仪器研制过程中重要环节,通过地面定标可以对仪器性能和指标进行考核验证。

  粒子加速器定标是考验一台仪器性能指标的重要手段,而加速器定标重要关注的是粒子加速器,其指标性能直接影响仪器定标问题。国内外对于空间探测仪器定标所需加速器,基本上采用专用加速器和改造大型加速器方法进行[6-8]。因此,开展基于国内空间质子探测发展趋势分析的情况下,分析空间质子探测仪器定标的加速器技术指标需求。

  1、空间质子探测

  自从范爱伦发现地球辐射带,并且确认辐射带由质子和电子为主构成。空间质子探测成了大部分空间科学研究和空间环境监测任务内容,无论是地球空间科学卫星还是行星际探测。通过对于空间质子探测,了解空间不同轨道辐射环境的变化特点和规律及恶劣状态,获取空间辐射环境的耦合、扩散及传播等演化机理和机制。

  如图1所示,日地空间主要区域的质子能谱分布。能量上从太阳风质子eV到宇宙线质子TeV的范围,跨越了8个数量级;通量从宇宙线10-5 Pa/cm2·s到太阳风1015 Pa/cm2·s的范围,跨越了20个数量级。

地间空间质子能谱分布

图1 日地间空间质子能谱分布

  空间质子探测根据能量不同,在低端可以采用静电分析器结合微通道板实现,而在keV到MeV采用半导体望远镜方式实现,在高能量可以采用闪烁体组合及切伦科夫等方法实现。通常在空间探测领域会将低能质子探测归为空间等离子体探测,所以后继讨论均为空间高能质子探测方面。

  国际经过多年的空间探测任务牵引,质子探测器已经向小型化、高精度等方面发展。国内历经多年的发展,经过早期实践4号等航天工程起步阶段,而后在空间气象监测、载人航天及空间科学先导专项等任务需求下,不断在向高精度、宽能谱等方向推进。如下表1所示,为国内部分典型航天任务空间质子探测指标。

表1 国内典型航天任务空间质子探测指标

国内典型航天任务空间质子探测指标

  国内空间质子探测由早期重点关注辐射带粒子测量,拓展到关注包括地球极区粒子上下行、太阳爆发、日球层等区域粒子的测量;由早期关注高能段带电粒子拓展到关注产生高能粒子的种子粒子的中、低能量段,并且同时向更高能量段进行延伸;由早期的带电粒子能谱测量,拓展到同时开展带电粒子方向分布测量。

  4、小结

  空间质子定标束流系统研制完成以后,可以模拟各类活动状态下空间辐射环境的质子状态,可以为国内高能质子、中能质子及中性原子探测仪器的定标提供粒子束流,为空间科学仪器数据产出的质量提供保障。

  质子束流系统研制完成以后,加上国内正在建设的30 keV质子束流源,将可以提供10 MeV能量以下所有能量质子束流,进一步完善国内空间质子探测仪器研制试验测试基础设备能力,从而为稳固国内在国际上空间粒子探测一流水平提供支撑。

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