5月16日,高精度粒子探測器“阿爾法磁譜儀2”搭乘美國“奮進號”航天飛機駛入寰宇。
5月16日,幾經推遲之后,高精度粒子探測器——“阿爾法磁譜儀2(AMS–02)”搭乘美國“奮進號”航天飛機的“絕唱之旅”,駛入寰宇。未來10年或更長時間里,它將在國際空間站運行,尋找反物質和暗物質,探索宇宙的起源及其構成。
“鮮為人知的是,它體內有一顆強大的‘中國心’——一塊‘MADE IN CHINA’、內徑約1.2米、重約2.6噸、中心磁場強度1370高斯的環形巨大永磁鐵。”中科院高能物理研究所所長、中科院院士陳和生接受新華社記者專訪時說。
“阿爾法磁譜儀”實驗是一個大型國際合作科學實驗項目。由諾貝爾物理學獎得主、華裔美國科學家丁肇中教授領導,美國、中國、德國等16個國家和地區的數百名研究人員參與其中。陳和生是這個團隊首批科學家和主要成員之一。
反物質和暗物質是兩種“神秘”物質。從理論上講,它們應當存在,但現實中還沒有找到證明它們存在的真憑實據。“宇宙是最終的實驗室。”丁肇中在4月底發表的公報中表示。
“要分辨物質與反物質,就得想辦法測量粒子帶正電還是負電。這就需要把一個巨大的磁鐵送到太空中去。如果使用常規磁鐵,到處彌漫磁場根本無法在太空中運行。”陳和生說。
1998年6月,“阿爾法磁譜儀1(AMS–01)”搭載美國“發現號”航天飛機首次進入太空,成為人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。當時,陳和生在佛羅里達州肯尼迪航天中心親歷了那次為期10天的實驗。
“這10天里,中國永磁體經受住了考驗,工作正常。時隔13年后的今天,它再次‘披甲上陣’,到國際空間站做長期實驗,幫助AMS–02‘捕捉’神秘的反物質和暗物質。”談起AMS–02最核心部件——中國造永磁體,陳和生無比自豪。
丁肇中曾多次坦言,磁譜儀項目是他40多年科研生涯中遇到的“難度最大”的實驗,甚至比當初為他贏得諾獎的J粒子實驗還要“困難得多”。
“最大的挑戰就是要將大型磁鐵放入太空。”丁肇中說。美國國家航空航天局(NASA)對磁鐵的負載安全要求極高。一是要降低漏磁,避免干擾航天飛機和空間站其他儀器的工作。二是磁二極矩必須極小,以免磁譜儀在地球磁場作用下產生轉動。
按照慣例,NASA對搭載大型設備需做三次安全評估,而中國制造的釹鐵硼磁鐵只做了兩次就順利“闖關”。業內人士說,這在NASA檢驗史上還是第一次。
這塊強大的“中國心”到底神奇在哪里?
“中科院電工研究所、高能所和中國運載火箭技術研究院的科學家們通力合作,選擇新型高磁能積釹鐵硼材料,采用獨特的‘魔環’結構磁路設計,64個磁化方向連續變化的永磁條安裝其中。這種結構使永磁體磁場約束在AMS磁體內部,漏磁和磁二極矩比NASA的要求小了一個數量級。”陳和生說。
不久前,AMS–02曾進行模擬空間測試。科學家根據測試結果決定,沿用曾服役AMS–01的中國永磁體,它可以使磁譜儀使用壽命長達18到20年。
此外,AMS-02在AMS-01的基礎上增加了若干新的子探測器。其中,中科院高能物理研究所與中國航天科技集團公司的專家和意大利、法國同行共同研制出作為探測器關鍵部分的電磁量能器。
“電磁量能器能精確測量光子和電子的能量,并排除宇宙線質子的本底,對探測的暗物質粒子十分關鍵。”陳和生說。
參加AMS02國際合作的國內單位還有東南大學、中山大學、山東大學、上海交通大學和北京航空航天大學。
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