激光加速器為深空輻射環境模擬提供新方案

文／本刊記者 畢文婷

“空間輻射是制約深空探測發展的核心問題之一。”在9月19—21日召開的香山科學會議上，中國科學院院士、上海科技大學副校長李儒新提出，“為保障航天任務的順利執行，需要在地面開展相關的空間輻射效應環境模擬，評估相關因素的危害，激光加速技術提供了環境模擬的新思路”。本次會議上，與會專家圍繞激光加速器和深空探測的機遇與挑戰，開展了深入討論。

應用激光加速技術模擬空間輻射環境更真實

“由空間環境引起的航天器故障占總故障的40%以上。”哈爾濱工業大學教授李立毅告訴科普時報記者，“由于高真空、微重力、電磁輻射、粒子輻照等空間環境的特殊性，單一或綜合作用下產生的復雜效應會給航天器的安全運行帶來嚴重影響。”

“在進行地外天體探索時，面臨的空間輻射環境比近地空間更復雜、更惡劣。”李儒新表示，由于深空環境中粒子種類多，輻照能譜寬，高能粒子的能量、通量及覆蓋范圍也遠高于地球輻射帶。這些輻射不僅會對航空航天器產生影響，甚至還會威脅航天員生命健康，導致癌癥風險增加、中樞神經損傷、免疫功能變化、骨骼與肌肉等微結構改變等，給深空探測任務帶來嚴峻挑戰。

為進一步了解空間環境的具體情況，利用在軌平臺進行飛行試驗是最準確的評價手段，但由于其時間長、難度大、成本高，世界各國已紛紛將目光投向更易實施的地面模擬裝置。

“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，與空間輻射環境中復雜的多種粒子、寬能譜的混合輻射場存在較大區別。”中國科學院上海光學精密機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的加速器技術，在模擬真實的空間環境中存在著一定的困難。全新思路是利用激光加速技術，通過激光與固體靶的相互作用加速出多粒子束流，實現環境模擬。與傳統技術相比，激光加速可以產生包含高能質子、電子等混合輻射場、超高的加速梯度，以及更寬的能譜分布，更接近于真實的空間輻射環境。

帶來全新機遇與挑戰

“利用激光加速裝置進行空間環境模擬已成為國內外研究的前沿方向之一。”中國科學院上海光學精密機械研究所副所長冷雨欣表示，國際上已經建立或正在發展多個重頻超強超短激光裝置，且基于更高平均功率的超強超短激光驅動的更高亮度次級輻射束線平臺也被美國、歐洲等列入發展計劃。“上海光機所成功研制的世界首臺10拍瓦超強超短激光實驗裝置，創下了國際最高激光峰值功率紀錄。”他說。

“建設基于激光加速的空間輻射效應模擬裝置還有若干科學問題等待解答。”李儒新認為，近期的研究目標是開發高重頻、高性能、高功率、小型化的新一代驅動激光，研發穩定可控的寬譜多粒子束流混合輻射源，發展新型脈沖粒子診斷技術以實現對混合輻射場的瞬態測量，并研究激光加速產生的短脈沖粒子束流對電子器件和生物體輻射效應的影響機制等。

“激光加速器與深空探測，既有挑戰也有機遇。激光加速器形成的輻射場具有重要應用價值，對深空探測和國內耐輻照器件的發展有迫切需求。”中國工程院院士、西北核技術研究院研究員歐陽曉平與中國科學院院士、中國科學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域的應用前景。

與會專家呼吁，希望有更多領域、更多學科專家融入進來，通力合作，開拓輻射效應機理研究的全新途徑，建立空間輻射生物效應及風險評估體系，建立器件和生物學的相關輻射檢測及指標，共同推動我國自主研發的、具有自主知識產權的空間輻射環境模擬大科學裝置建設。