激光加速器为深空辐射环境模拟提供新方案

文／本刊记者 毕文婷

“空间辐射是制约深空探测发展的核心问题之一。”在9月19—21日召开的香山科学会议上，中国科学院院士、上海科技大学副校长李儒新提出，“为保障航天任务的顺利执行，需要在地面开展相关的空间辐射效应环境模拟，评估相关因素的危害，激光加速技术提供了环境模拟的新思路”。本次会议上，与会专家围绕激光加速器和深空探测的机遇与挑战，开展了深入讨论。

应用激光加速技术模拟空间辐射环境更真实

“由空间环境引起的航天器故障占总故障的40%以上。”哈尔滨工业大学教授李立毅告诉科普时报记者，“由于高真空、微重力、电磁辐射、粒子辐照等空间环境的特殊性，单一或综合作用下产生的复杂效应会给航天器的安全运行带来严重影响。”

“在进行地外天体探索时，面临的空间辐射环境比近地空间更复杂、更恶劣。”李儒新表示，由于深空环境中粒子种类多，辐照能谱宽，高能粒子的能量、通量及覆盖范围也远高于地球辐射带。这些辐射不仅会对航空航天器产生影响，甚至还会威胁航天员生命健康，导致癌症风险增加、中枢神经损伤、免疫功能变化、骨骼与肌肉等微结构改变等，给深空探测任务带来严峻挑战。

为进一步了解空间环境的具体情况，利用在轨平台进行飞行试验是最准确的评价手段，但由于其时间长、难度大、成本高，世界各国已纷纷将目光投向更易实施的地面模拟装置。

“但这些模拟装置通常只能提供单一种类、单一能量的辐射粒子，与空间辐射环境中复杂的多种粒子、宽能谱的混合辐射场存在较大区别。”中国科学院上海光学精密机械研究所研究员宾建辉直言，目前所用的模拟装置都是基于传统的加速器技术，在模拟真实的空间环境中存在着一定的困难。全新思路是利用激光加速技术，通过激光与固体靶的相互作用加速出多粒子束流，实现环境模拟。与传统技术相比，激光加速可以产生包含高能质子、电子等混合辐射场、超高的加速梯度，以及更宽的能谱分布，更接近于真实的空间辐射环境。

带来全新机遇与挑战

“利用激光加速装置进行空间环境模拟已成为国内外研究的前沿方向之一。”中国科学院上海光学精密机械研究所副所长冷雨欣表示，国际上已经建立或正在发展多个重频超强超短激光装置，且基于更高平均功率的超强超短激光驱动的更高亮度次级辐射束线平台也被美国、欧洲等列入发展计划。“上海光机所成功研制的世界首台10拍瓦超强超短激光实验装置，创下了国际最高激光峰值功率纪录。”他说。

“建设基于激光加速的空间辐射效应模拟装置还有若干科学问题等待解答。”李儒新认为，近期的研究目标是开发高重频、高性能、高功率、小型化的新一代驱动激光，研发稳定可控的宽谱多粒子束流混合辐射源，发展新型脉冲粒子诊断技术以实现对混合辐射场的瞬态测量，并研究激光加速产生的短脉冲粒子束流对电子器件和生物体辐射效应的影响机制等。

“激光加速器与深空探测，既有挑战也有机遇。激光加速器形成的辐射场具有重要应用价值，对深空探测和国内耐辐照器件的发展有迫切需求。”中国工程院院士、西北核技术研究院研究员欧阳晓平与中国科学院院士、中国科学院理论物理所研究员蔡荣根均看好激光加速器在深空探测领域的应用前景。

与会专家呼吁，希望有更多领域、更多学科专家融入进来，通力合作，开拓辐射效应机理研究的全新途径，建立空间辐射生物效应及风险评估体系，建立器件和生物学的相关辐射检测及指标，共同推动我国自主研发的、具有自主知识产权的空间辐射环境模拟大科学装置建设。