基本介紹
- 中文名：阿爾法磁譜儀
- 外文名：Alpha Magnetic Spectrometer
- 別稱：反物質太空磁譜儀
- 簡稱：AMS
- 類型：粒子物理試驗設備的物理探測儀器
- 目的：探測宇宙奇異物質
基本簡介,主體結構,項目合作,永磁系統,物理試驗,升空探索,中國貢獻,貢獻項目,世界讚譽,2型介紹,暗物質,
基本簡介
阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，又譯反物質太空磁譜儀，簡稱AMS是一個由美國麻省理工大學丁肇中教授構思建造的物理探測儀器。他所帶領的高能物理團隊將三十多年來粒子加速器所積攢下來的經驗推向太空。阿爾法磁譜儀將依靠一個巨大的超導磁鐵及六個超高精確度的探測器來完成它搜尋的使命。
阿爾法磁譜儀
阿爾法磁譜儀這個粒子物理的實驗將在國際空間站（ISS）的主構架上被放置三年，遠離大氣層以保證不受干擾，並充分利用國際空間站上的系統來採集數據。原計畫阿爾法磁譜儀由NASA的太空梭送入太空。但由於太空梭近年來事故的影響，使得發射時間一再推遲，一直到2011年5月16日，美國“奮進”號太空梭攜帶著中國參與製造的阿爾法磁譜儀，從佛羅里達州甘迺迪航天中心發射升空，前往國際空間站。
整個探測器的機械結構的設計、製造和環境試驗是由中國運載火箭技術研究院承擔的，精度非常高，能達到太空梭在起飛和著路時對機械結構強度的十分苛刻的要求。中國水利水電科學研究院承擔了對機械結構強度的試驗。
主體結構
自1995年6月至1997年7月，CALT的總體設計部完成了AMS主結構的方案設計、初步設計及技術設計，由211廠生產製造了兩台阿爾法磁譜儀主結構。
主結構的主體系外徑為1.3米，內徑為1.15米，高0.8米的空心高強度鋁製圓柱體。永磁體呈條狀插入主結構，其磁場強度高達1400高斯。主結構要求高精度，在生產及裝配過程中嚴格控制偏差，以使其與太空梭對接時不產生裝配應力。
1996年4月第一台供地面試驗的阿爾法磁譜儀主結構順利完成生產，安裝好永磁體後進行了振動試驗及離心試驗，試驗一次通過，技術狀態良好。
1997年3月完成了飛行件的生產。丁肇中教授攜各國科學家10餘人來CALT驗收，對設計、生產質量表示滿意。
阿爾法磁譜儀
阿爾法磁譜儀1997年11月，美國國家宇航局NASA對阿爾法磁譜儀主結構進行了第二階段的安全評審，評審委員會一致通過，並破先例地取消了第三階段的安全評審。
1998年6月，安裝了各種探測儀器的阿爾法磁譜儀在太空梭上進行了為期10天的飛行，獲得了大量的科學數據。
1998年12月由原航天總公司科技委對AMS主結構進行了技術鑑定，鑑定認為：阿爾法磁譜儀主結構的成功研製開創了中國航天技術進入國際高能粒子物理研究領域的先例，主結構在薄殼結構設計分析、製造工藝和地面試驗方面達到了國際先進水平。
項目合作
阿爾法磁譜儀重達6700千克，中國多家單位參加了研製，其中，中國科學院高能物理研究所和中國運載火箭技術研究院與法國、義大利的兩個單位合作，研製了阿爾法磁譜儀電磁量能器，能夠測量能量高達TeV的電子和光子，是尋找暗物質的關鍵子探測器。參加阿爾法磁譜儀國際合作的中國單位還包括中國科學院電工研究所、上海交通大學、東南大學、山東大學、中山大學，以及中國台灣的“中央研究院”物理研究所、“中央大學”、中山科學研究院等。
CERN暨歐洲核子中心的航空照片
CERN暨歐洲核子中心的航空照片永磁系統
中國科學院電工研究所、中國科學院高能物理研究所和中國運載火箭技術研究院成功地研製出阿爾法磁譜儀最關鍵的永磁體系統，包括用高性能釹鐵硼材料製成的永磁體和支撐整個磁譜儀的主結構。獨特的魔環設計滿足了空間實驗對漏磁和磁二極矩的嚴格要求。
永磁體總重量約為2t，接收度為0.6m2·sr，磁偏轉能力BL2為0.135T·m2，並在40℃以下不出現退磁。主結構採用雙層薄殼系統，能經受永磁體強大的磁力和扭矩，以及起飛、著陸時的巨大載荷。永磁體系統通過了嚴格的空間環境模擬試驗，滿足了阿爾法磁譜儀的要求，並達到了美國宇航局嚴格的安全可靠標準。
阿爾法磁譜儀2曾嘗試用超導磁體代替永磁體。儘管這種方法可以產生更強的磁場，但超導磁體需要液氦冷卻，太空中無法補充液氦，這樣磁譜儀壽命只有3年。而使用永磁體的磁譜儀的使用壽命長達18年至20年，所以專家們決定沿用永磁體。
物理試驗
阿爾法磁譜儀是一個大型的粒子物理實驗。它是在三十年來從數十個氣球，飛船和地面探測實驗得出來的宇宙射線知識的基礎上建立的。理論物理學家預測並在對撞機中尋找的幾種粒子有可能在宇宙射線中存在。實驗則有可能探測到它們，並得到粒子和它們遠方的天體來源的寶貴信息。
阿爾法磁譜儀將具體觀測太空中高能輻射下的電子，正電子，質子，反質子與核子。這些探測結果有可能解答關於宇宙大爆炸一些重要的疑問，例如“為何宇宙大爆炸產出如此少的反物質？”或“何等物質構成了宇宙中看不見的質量？”
升空探索
2009年11月，丁肇中教授在日內瓦歐洲核子研究中心宣布，用於尋找宇宙中的反物質和暗物質的重要科學儀器阿爾法磁譜儀（AMS02）將於2010年7月29日早上7點30分（美國東部時間），在美國甘迺迪空間中心搭乘奮進號太空梭的STS-134航班升空，送到國際空間站，開始為期3年的探索之旅。
但是出於安全考慮發射一再推遲，經歷了多次推遲發射事件之後，阿爾法磁譜儀2終於在美國東部時間2011年5月16日上午搭乘“奮進”號太空梭升空。
按照航天局計畫，“奮進”號完成最後一次飛行後退役，“亞特蘭蒂斯”號也將於今年夏天完成“絕唱之旅”。屆時，美國太空梭全部退役，運行30多年的太空梭項目將宣告終結。
阿爾法磁譜儀升空後，在短時間內獲得的數據就可使阿爾法磁譜儀正電子能譜的測量範圍和精度超過目前正在空中運行的PAMELA空間探測器（由義大利、俄羅斯聯合研製），並有能力對空間電子能譜目前的幾個測量結果作出判斷。今後相當長的一段時期，阿爾法磁譜儀將作為最主要的空間粒子探測器之一，對重大的科學前沿課題進行探索，是意義重大的空間實驗。
2013年2月18日，在美國波士頓結束的美國科學促進會（AAAS）年會上，美國麻省理工物理學家丁肇中及其領導的研究團隊對外宣布，他們的阿爾法磁譜儀（AMS）發現了弱相互作用大質量粒子（WIMP）存在的證據，6個科研小組達成了一致意見，都贊同是探測到WIMP，而WIMP就是一種暗物質的候選體。丁肇中稱，將於未來兩到三周發表涉及暗物質的研究論文，對這項研究的進展作詳細闡述。
中國貢獻
貢獻項目
參與磁譜儀項目的中國大陸科研團隊主要有8個，分別為中科院電工所、中國運載火箭技術研究院、山東大學、東南大學、中山大學、上海交通大學楊煜普小組、中科院高能所以及航空科學與技術國家實驗室；來自中國台灣的團隊主要有“中央研究院”、中山科學院等。他們的貢獻各不相同，但都必不可少。
中科院電工所研製成功了磁譜儀的核心部件——磁體系統。該磁體具有對高能粒子吸收作用小的特點，實現磁體與地磁無相互作用的力矩，極大降低了對空間飛行器的影響，解決了幾十年來不能將較強磁場磁體送入外層空間運行的世界技術難題。
中國運載火箭技術研究院承擔了磁譜儀量能器結構的研製工作，並在磁譜儀探測器的建造過程中發揮了重要作用。該院設計的磁體主結構在1998年曾搭乘太空梭進行了為期10天的空間工作，在地面存放10多年後仍保持良好的性能，並繼續用作阿爾法磁譜儀2的磁體主結構。
磁譜儀對熱環境的要求極其苛刻，各探測器的性能也與溫度有關，熱系統的研製水平及質量直接決定著磁譜儀的工作狀態、運行壽命及實驗可靠性。在熱系統的研究和設計過程中，國家973計畫首席科學家程林教授領導的山東大學團隊提出了不同結構形式的散熱元件，保證了系統的高效散熱及溫度場的均勻和穩定，解決了磁譜儀在國際空間站運行的關鍵問題。
東南大學在項目中主要承擔了3項任務——建立磁譜儀實驗系統、反物質探測系統和地面數據處理系統。
中國台灣的中山科學院也完成了“不可能的任務”——為項目設計出了運行速度比美國航天局現行系統快10倍的電子控制系統……
世界讚譽
中國科學家為磁譜儀項目所作貢獻得到了項目首席科學家丁肇中、項目組以及其他國家科學家的廣泛讚譽。
丁肇中曾對記者表示：“中國科學家為磁譜儀實驗作出了決定性貢獻。”
美國航天局專家肯·鮑爾曾在驗收產品後對其上司說：“如果你們要找一家能夠設計和製造一流航天產品的機構的話，那我告訴你，中國有個運載火箭技術研究院，他們有能力完成這個任務。”
山東大學在磁譜儀項目所有參與機構中第一個完成任務，得到了美國航天局的高度評價。項目組在致山東省科技廳的項目鑑定意見中寫道：“您將會高興地獲知整個項目組對山東大學工作最高程度的認可。事實上，正是山東大學的工作讓這個實驗真正成為可能。”
矽微條軌跡探測器熱控系統在歐洲航天局進行的熱真空測試中表現出超乎尋常的溫度穩定性。項目組對熱控系統的評價是：“沒有矽微條軌跡探測器熱控系統就沒有阿爾法磁譜儀實驗”。
磁譜儀項目首席工程師、義大利人戈達多·加吉奧洛告訴記者，中國科學家為項目作出了“巨大貢獻”，“我與中國科學家的合作非常愉快”。
美國麻省理工學院核科學實驗室主任理察·米爾納也認為，中國科學家對項目的貢獻是“決定性的”。
2型介紹
2009年11月，丁肇中教授在日內瓦歐洲核子研究中心宣布，用於尋找宇宙中的反物質和暗物質的重要科學儀器阿爾法磁譜儀2（AMS02）將於2010年7月29日早上7點30分（美國東部時間），在美國甘迺迪空間中心搭乘奮進號太空梭的STS-134航班升空，送到國際空間站，開始為期3年的探索之旅。。“阿爾法磁譜儀2”原計畫於2004年由美國太空梭送入太空，但其行程因2003年“哥倫比亞”號失事被一拖再拖。在此期間，以丁肇中為首的科學家對阿爾法磁譜儀2型進行了不斷改進，其中曾嘗試用超導磁體代替永磁體，但最終經模擬空間測試仍決定使用永磁體。目前“阿爾法磁譜儀2”採用的永磁體就是1998年阿爾法磁譜儀1型太空實驗時使用的，是由中科院電工研究所等製造的。
安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀
安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀據悉，阿爾法磁譜儀現已組裝完畢，即將在歐洲核子研究中心進行束流測試，然後運到歐洲航天局在荷蘭的歐洲空間技術和研究中心（ESTEC）的環境試驗中心進行熱真空實驗。2010年初，阿爾法磁譜儀將被運到美國甘迺迪空間中心與太空梭對接。
阿爾法磁譜儀升空後，在短時間內獲得的數據就可使阿爾法磁譜儀正電子能譜的測量範圍和精度超過目前正在空中運行的PAMELA空間探測器（由義大利、俄羅斯聯合研製），並有能力對空間電子能譜目前的幾個測量結果作出判斷。今後相當長的一段時期，阿爾法磁譜儀將作為最主要的空間粒子探測器之一，對重大的科學前沿課題進行探索，是意義重大的空間實驗。
這一項目投入達20億美元，研究人員來自美、歐、亞三大洲16個國家和地區的56個研究機構，其中包括中科院電工研究所、高能物理所、山東大學、東南大學、中山大學等。它被認為是繼人類基因組計畫、國際空間站計畫和強子對撞機計畫之後的又一個大型國際科技合作項目。
暗物質
AMS-一種粒子加速器，綽號為太空的大型強子對撞機。AMS的最初實驗結果發現了可能是暗物質的痕跡。不僅是AMS,很多地上甚至深埋地下的實驗室也曾發現過暗物質的痕跡。
AMS內部。這一粒子物理學實驗模組位於國際空間站，它旨在通過測量宇宙射線來搜尋各種不同類型的罕見物質。
