真空紫外成像光譜儀在空間科學中的應用探究

李子碩

摘要：本文總結了真空紫外成像光譜儀的關鍵技術，介紹了國外發展的現狀，列舉了日地空間環境觀測、地外行星體觀測和宇宙空間觀測三個應用領域中有代表性的載荷參數，并且分析了真空紫外成像光譜儀在空間科學研究中的優勢，展望了其未來發展方向。

關鍵詞：真空紫外；成像光譜儀；光學元件

1、真空紫外成像光譜儀的關鍵技術

真空紫外成像光譜儀主要應用于航天遙感領域，其包括了很多先進科學技術的最高水平現狀，于是其主要涉及了以下幾個方面的關鍵的技術。

其一，光學元件的加工和光學系統的設計。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。因為真空紫外波段探測器的光譜響應能力普遍較低，但是需要觀測的真空紫外輻射強度大多極其微弱，所以必須應用具有高增益的成像探測器。現階段下，高增益成像探測器一類的發展十分迅速，已經漸漸滿足了真空紫外波段成像探測向大尺寸、高增益、高動態范圍、低噪聲方向發展的要求。

2、國外的發展現狀

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

（1）檢測日地空間環境的現狀

太陽、太陽風、磁層、電離層和熱層的狀態就是所謂的空間天氣。空間天氣的惡劣將會影響定位系統的精度，會影響無線電通訊的質量以及電力傳輸的安全。其將在一定程度上縮短航天飛行器的壽命與功能應用的實現，進而造成很大的經濟社會損失。因此，為了減少社會經濟損失、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律提供了極為充分的研究數據。觀測太陽的紫外線波輻射是了解太陽結構、檢測太陽活動的有效手段。

（2）觀測地外行星體的現狀

應用于羅塞塔號和新視野號衛星上的是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，如測量其分子產生率、可變性和結構性，測量彗尾中的離子含量，并且還觀測彗核本身和彗發中固有顆粒的遠紫外光譜特性。

在2006年1月發射升空的新視野號，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據。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）觀測宇宙空間的現狀

現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星，其科學目標是對宇宙大爆炸初期的元素合成、宇宙中元素的豐度、星系的化學演化、星際介質等等。

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，已經成為了天文史上重要的儀器，而在第二次維護任務中，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勢

真空紫外成像光譜儀是空間科學研究中重要的數據獲取工具，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的含量和變化規律，從而為空間天氣、宇宙起源等許多前沿科學提供研究資料。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勢

其一，能根據維恩位移定律，通過對真空紫外線輻射的觀測了解高溫輻射體的性質。

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，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。