激光等离子体加速器复制出外太空空间辐射

华静一
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外太空的空间辐射在实验室中被复制出来。科学家使用激光等离子体加速器复制出地球周围的高能粒子辐射。该项研究能够帮助科学家研究空间探索对人类的影响,并为卫星和火箭设备的研制提供强大保障。

空间辐射是人类探索太阳系的主要障碍。太阳和深空的高能电离粒子对人类健康极其危险,它们可以直接穿过皮肤并沉积能量,对细胞和DNA造成不可逆转的破坏。除此之外,空间辐射也会对卫星设备造成严重破坏。

研究空间辐射最有效的方法是将实验设备通过火箭运送至外太空进行实际观测,但这非常昂贵且难以实现。而且,在地球上制造出类似外太空的空间辐射同样非常困难。科学家已经尝试使用传统的回旋加速器和线性粒子加速器。然而,这些设备只能产生单能粒子,并不能完全替代在空间辐射中发现的宽能带的粒子。

科学家在实验室中模仿外太空的空间辐射

目前,英国斯特拉斯克莱德大学的Bernhard Hidding研究团队找到了一种解决方案。该团队使用激光等离子体加速器,制造出了宽能带的电子和质子,这种电子和质子是范艾伦辐射带中的典型粒子——这一辐射带是由地磁场产生的粒子辐射区域。

从激光到等离子体

加速器的工作原理是将高能量、高亮度的激光束投射在面积仅几平方微米的薄金属箔靶上。“激光脉冲的能量之大,所产生的电磁场能量甚至比比原子内部的库仑力大一个数量级,”Hidding解释说,“因此金属箔靶被瞬间转换为等离子体。”等离子体粒子被激光的强电场和其他等离子体的场加速,被加速的程度取决于粒子的初始位置,这个过程能够产生巨大的能量。

该研究团队使用电子敏感图像板、质子放射性色素膜和闪烁荧光屏研究了这些等离子体粒子。为了证明实验室制造出的辐射与外太空的空间辐射相当,该团队请求美国宇航局(NASA)进行计算机模拟。“NASA的模拟方式是基于模型和测量的,代表了我们目前已知最先进的知识。”Hidding说。

监控损伤

下一个任务是证明该系统可通过光耦合器测试粒子辐射来测试空间辐射的影响。光电耦合器件常用于在相互隔离的电路之间传输电信号。另外,Hidding和团队通过测量系统的电流传输比来监测辐射诱发的衰减作用。

美国《科学报告》杂志中所描述的概念验证实验有可能成为不需要离开地球研究空间辐射影响的重大突破。实验的下一步将制订用于测试电子设备和生物样本的标准。“毕竟,空间辐射是人类航天飞行需要克服的关键障碍之一。”Bernhard Hidding说。

Hiddings表示,斯特拉思克莱德大学新配备的激光器也将在未来的研究中发挥关键作用。“这是当今世界上平均功率最高的激光系统,”该系统被安装在苏格兰等离子体加速器应用中心(SCAPA)的三个辐射屏蔽掩体中,最多能发出七束光。“我们的研究目标是为空间辐射研究和测试开发出专用的激光束,并将其用于英国等地不断发展的太空行业。”

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