真空紫外成像光譜儀在空間科學(xué)中的應(yīng)用探究

李子碩

摘要：本文總結(jié)了真空紫外成像光譜儀的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了國外發(fā)展的現(xiàn)狀，列舉了日地空間環(huán)境觀測、地外行星體觀測和宇宙空間觀測三個應(yīng)用領(lǐng)域中有代表性的載荷參數(shù)，并且分析了真空紫外成像光譜儀在空間科學(xué)研究中的優(yōu)勢，展望了其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：真空紫外；成像光譜儀；光學(xué)元件

1、真空紫外成像光譜儀的關(guān)鍵技術(shù)

真空紫外成像光譜儀主要應(yīng)用于航天遙感領(lǐng)域，其包括了很多先進科學(xué)技術(shù)的最高水平現(xiàn)狀，于是其主要涉及了以下幾個方面的關(guān)鍵的技術(shù)。

其一，光學(xué)元件的加工和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。因為真空紫外波段的透射材料稀少且難以制備，因而有很大一部分的該波段的成像光譜儀會使用反射式光柵來作為分光元件。而相較于可見光的波段，真空紫外波段的波長遠遠小于其波長，故而對光學(xué)元件表面粗糙度的要求也要高很多，于是便要求極為高超的制備工藝。

其二，高反射率鍍膜。在光學(xué)元件的表面鍍高反射率膜是為了真空紫外波段能獲得較高的反射效率。與此同時，為了保護該膜系不被高能的宇宙射線所破壞還需要鍍保護膜，并且對不同的波長應(yīng)用范圍作出不同的選擇。所以對反射膜的要求較高。

其三，高增益成像探測器技術(shù)。因為真空紫外波段探測器的光譜響應(yīng)能力普遍較低，但是需要觀測的真空紫外輻射強度大多極其微弱，所以必須應(yīng)用具有高增益的成像探測器。現(xiàn)階段下，高增益成像探測器一類的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)漸漸滿足了真空紫外波段成像探測向大尺寸、高增益、高動態(tài)范圍、低噪聲方向發(fā)展的要求。

2、國外的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著當前經(jīng)濟的飛速發(fā)展，世界各國越來越重視未來空間的探測計劃的建設(shè)，其中便包括真空紫外成像光譜儀載荷的研制和發(fā)射任務(wù)。例如美國、俄羅斯、荷蘭、加拿大、印度、韓國、日本等許多國家。

（1）檢測日地空間環(huán)境的現(xiàn)狀

太陽、太陽風(fēng)、磁層、電離層和熱層的狀態(tài)就是所謂的空間天氣。空間天氣的惡劣將會影響定位系統(tǒng)的精度，會影響無線電通訊的質(zhì)量以及電力傳輸?shù)陌踩Ｆ鋵⒃谝欢ǔ潭壬峡s短航天飛行器的壽命與功能應(yīng)用的實現(xiàn)，進而造成很大的經(jīng)濟社會損失。因此，為了減少社會經(jīng)濟損失、對空間天氣可能造成的危害進行防范，就需要實時觀測空間太陽與日光層觀測臺實物圖的變化。這時真空紫外成像光譜儀載荷可以通過對太陽輻射以及地球電離層大氣真空紫外線輻射的變化進行同步的觀測，進而為研究空間天氣的變化規(guī)律提供了極為充分的研究數(shù)據(jù)。觀測太陽的紫外線波輻射是了解太陽結(jié)構(gòu)、檢測太陽活動的有效手段。

（2）觀測地外行星體的現(xiàn)狀

應(yīng)用于羅塞塔號和新視野號衛(wèi)星上的是ESA研制的紫外線成像光譜儀AL-ICE，其是用來對地外行星體的大氣成分進行探測的真空紫外線成像光譜儀。

在2004年3月發(fā)射升空的羅塞塔號，在對彗星的遙感觀測中，ALICE進行了尋找稀有氣體的活動，如測量其分子產(chǎn)生率、可變性和結(jié)構(gòu)性，測量彗尾中的離子含量，并且還觀測彗核本身和彗發(fā)中固有顆粒的遠紫外光譜特性。

在2006年1月發(fā)射升空的新視野號，得出了冥王星的大氣與地表的組成、分布和溫度等一系列有效數(shù)據(jù)。而ALICE有兩種工作模式，一是探測大氣光模式，能對冥王星進行直接的測量；二是測量掩食光模式，能對觀測到的日蝕陰影區(qū)進行分析測量，進而能求得冥王星大氣的成分、溫度、濃度的分布情況。

（3）觀測宇宙空間的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段下人們對認識宇宙有越來越強烈的向往和欲望，通過真空紫外輻射進行觀測可以了解宇宙中不同天體的特性，從而提供了研究宇宙起源、星體形成和進化的手段。

遠紫外分光探測器是APL為NASA研制的一顆遠紫外天文衛(wèi)星，其科學(xué)目標是對宇宙大爆炸初期的元素合成、宇宙中元素的豐度、星系的化學(xué)演化、星際介質(zhì)等等。

哈勃空間望遠鏡是另一個深受研究人員喜愛的研究宇宙起源的儀器，已經(jīng)成為了天文史上重要的儀器，而在第二次維護任務(wù)中，其被太空望遠鏡影像攝譜儀而取代。

3、真空紫外成像光譜儀的獨特優(yōu)勢

真空紫外成像光譜儀是空間科學(xué)研究中重要的數(shù)據(jù)獲取工具，通過對不同天體目標真空紫外輻射的觀測，可以反演出天體中主要物質(zhì)的含量和變化規(guī)律，從而為空間天氣、宇宙起源等許多前沿科學(xué)提供研究資料。比較于其他波段的同類儀器，真空紫外線成像光譜儀具有不可代替的優(yōu)勢

其一，能根據(jù)維恩位移定律，通過對真空紫外線輻射的觀測了解高溫輻射體的性質(zhì)。

其二，因為地球大氣對真空紫外輻射的較為強烈的吸收，所以搭載于衛(wèi)星上的真空紫外探測器在觀測地球電離層時，避免了來自地表的同波段輻射的干擾。

其三，該波段中具有許多適合觀測應(yīng)用的特征路線，許多星體大氣中的重要元素的最強諧振波長都包含在其范圍內(nèi)，并且天體演化的重要元素以及生命進化的標志元素在真空紫外波段也有特征線譜的分布。