“慧眼”诞生的奋斗历程

2018-05-22 02:02
飞碟探索 2018年3期
关键词:陈勇高能慧眼

老一代科学家李惕碚和吴枚先生虽然成功解决了“成像”难题,奠定了技术基础,但在望远镜研制和项目实施过程中仍然面临一系列技术障碍。比如卫星热控设计方面,为保证有效载荷探测精度,必须将高能、中能、低能探测器集中安装在同一支撑结构上,但它们对温度的要求相差极大。有些灵敏的仪器设备必须在-80℃至一60℃的低温下才能正常工作。“慧眼”卫星工程总工程师、航天科技集团五院研究员马世俊和研发团队成员相互启发、集中攻关,终于琢磨出多级隔热措施、深冷热管技术、梯度温度加热等妙招,成功解决了这一难题。

在“慧眼”20年的研发历程中,研发团队一直在不断根据最新科学发展调整设计方案。最主要的变化是,“慧眼”在最早设计方案的基础上增加了低能和中能X射线探测器,把望远镜能够覆盖的观测能区范围扩大到1千电子伏至250千电子伏。对于中子星、黑洞吸积等高能天体,不同能区的光子来自天体周围的不同物理环境,所以更宽波段的观测将能够获得空间结构和气体运动的更多关键信息,比如超新星周围气体壳层的膨胀、黑洞吸积与周围气体环境的相互作用等。另外,卫星上还搭载了空间环境监测仪,用来实时监测卫星所处环境内带电粒子的方向和能谱,为科学观测提供本底水平的估计。另外,根据空间环境监测数据,还可以推算太空不同高度的高能粒子流量分布,保障在轨卫星运行的辐射安全,并为卫星的抗辐射设计提供参考。通过这些技术升级,使得“慧眼”从最初设想的单纯硬X射线成像仪发展为综合性的空间科学观测平台。

“慧眼”的科学系统包括高中低能三大探测器。三支研发队伍都分别遇到各自的严峻挑战,但他们凭着锲而不舍的进取精神、深厚的科学素养和敏锐的创新才智,大大小小的困难、障碍都被逐一彻底攻破。

高能团队:彻底放弃依靠进口的幻想

在核心载荷高能望远镜的研制过程中,横空跳出的一大拦路虎就是国际技术封锁。研制初期需要进口某一个型号的探测器,项目团队已经与外方签订了进口合同,但之后被该国有关部门叫停。面对困局,项目团队横下一条心。在压力下奋起,走上自主研发的道路。为了仪器的研制和组装,高能探测器团队主任设计师刘聪展在实验室和国内外许多原件厂商之间来回奔波。

经过无数次的尝试,刘聪展团队从未向失败低头,他们的头脑更加敏锐,能够不断调整方案,朝着成功逐步有序迈进。最终经过29轮试制,完成30多个样品,终于达到了技术指标要求。当样品通过实验的时候,不仅团队成员倍感欣慰,合作厂商也表示在整个研发过程中获益匪浅。刘聪展博士向公众媒体介绍说,“我们教会了他们一整套的设计方法,怎样通过计算有方向性地尝试,怎样提高荧光的收集效率,他们对此也感到十分满意”。

不仅如此,高能探测器具有的快速连续处理光子的能力甚至大大超过了国外同类设备。刘聪展对此解释说:“我们专门为此进行了特殊设计,来缩短‘死时间。虽然我们的高能探测器是世界上面积最大的,但是它的‘死时间比别的探测器要短得多,我们丢失的光子也会比别的探测器少得多,探测到的信号也更多更准确。这对帮助我们最终搞清楚X射线天体的辐射机制是非常有帮助的。”

中能团队:海选出一尘不染的探测器

曹学蕾博士2006年开始负责“慧眼”卫星中能望远镜的设计。在此之前,他已连续参与了“嫦娥1”号到“嫦娥3”号上的X射线谱仪的研制工作。中能团队自主试制的硅一PIN探测器已经在实验室取得了非常好的测试效果,测量X射线能谱的响应率和稳定性都达到国际先进水平。如果这些探测器都从国外订购,价格将是一个天文数字。自主研发的顺利进展让团队成员都信心满满。

然而,接下来探测器还要走出实验室的象牙塔,面临一系列严酷的航天筛选试验。整个过程中,最艰难的技术挑战是保证探测器芯片处于超净环境。任何一点微小的污染和杂质,都可能造成芯片内的暗电流飙升,轻则严重降低探测效率,重则导致探测器毁坏。

“慧眼”有效载荷总设计师卢方军研究员介绍说:“国外探测器都用对X射线吸收较弱的铍片密封,但是铍的蒸汽有剧毒,受相关法律法规限制,不能对探测器进行封装密封,在电装和测试过程中很容易造成污染。”为了制造出合格的封装探测器,唯一的办法就是制作超大量的样品,再从中筛选出合格的产品。据曹学蕾介绍,团队总共制作了18000枚裸芯片,从中筛选出4500多枚,最终制成了880个探测器,其中有400多个顺利安装在卫星上。

最终,中能团队拼尽全力用“海选战术”成功造出了“一尘不染”的探测器。回忆当时的困难情景,曹学蕾说自己“觉也睡不着,腿像灌了铅一样。但从来没想过要放弃,而是要用尽所有办法去解决难题”。

低能团队:用一根毛的刷子扫掉故障

2005年,负责低能望远镜设计的陈勇研究员去英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室学习,看到了准直器、SCD探测器和遮光膜等许多先进原件,这些都是X射线望远镜的重要部件,国内甚至都没有见过。“准直器可以限制X射线的入射方向,而遮光膜可以过滤可见光和紫外线,只让X射线透过。简直不敢想象,准直器可以做得那么精巧,遮光膜可以做得那么薄。”陈勇在惊奇的同时,也感慨忧心国内技术水平的显著差距。但是,巨大的落差没有让陈勇泄气,反而激发了他的斗志。陈勇带领团队通过不断琢磨和反复试验,研制出了厚度只有几百纳米的遮光膜以及和卢瑟福·阿普尔顿实验室同样精巧的准直器。

和其他两个团队一样,在实验室品尝到喜悦之后,进入了卫星安装测试,第二波困难的冲击又开始了。2012年,两套样机放到卫星上开始进行联调测试。“一下子冒出来很多问题。那段时间,每天都加班,夜里两三点才回家,可问题老也解决不了。”低能望遠镜副主任设计师崔苇苇回忆说。陈勇指出,这些问题主要来自软件方面:两套样机共64路探测器,程序上多一个空行段落,都会对整个系统的同步运行造成不可预见的影响,需要逐一排查修正。崔苇苇为每个版本的样机都做了详细的记录,笔记本记满了十几本。最后终于通过联调测试,渡过这一次危机。

2014年,低能望远镜团队又经历了一次“归零”。做真空试验的时候,有半个机箱的探测器出了问题。根据中国航天系统多年的惯例——“故障归零制度”,只要发现一点儿故障,不管大小,必须推倒一切从零开始。于是机箱的几百块电路板被拆开,开始挨个接受排查。陈勇研究员向媒体介绍:“经过来回分析,(我们)认为可能是某个探测器的两个电极之间落了点东西造成了短路。我们就把这个探测器取下来,用显微镜放大了200倍,果然看到有一个几十微米大小的东西。这个连肉眼都看不见的异物,该怎么清除呢?我们买了一支毛笔,剪得只剩下一根毛,用这支只剩一根毛的毛笔把它扫掉了。”

在这么多幕后英雄的努力下,“慧眼”使中国首次具有自主获取空间高能天体原始观测数据的能力。按照国际惯例,它获得的观测数据将为中国科学家优先使用。在中国科学家专项应用一年之后,这些数据将同时向全世界开放,以促进世界空间科学研究的发展。

感谢中科院兰州近代物理研究所和国家天文台的王培博士、高能物理研究所葛明玉博士帮助修改本文,并提供宝贵资深的专业指导意见。

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