分析了國(guó)內(nèi)空間質(zhì)子探測(cè)現(xiàn)狀及其向著寬量程、高精度的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外空間粒子探測(cè)儀器地面質(zhì)子束源。依據(jù)空間質(zhì)子能譜范圍，從技術(shù)指標(biāo)和業(yè)務(wù)運(yùn)行角度，給出了空間質(zhì)子探測(cè)儀器定標(biāo)束流的加速器類型、離子源類型及束流輸運(yùn)和總體布局等方面需求。

　　引言

　　我國(guó)自1970年代開展空間環(huán)境探測(cè)以來，中科院空間中心等單位研制了各類空間粒子探測(cè)儀器，應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各個(gè)軌道的衛(wèi)星、飛船、空間實(shí)驗(yàn)室等，獲得了大量空間粒子環(huán)境數(shù)據(jù)，為航天器安全運(yùn)行保障和科學(xué)研究提供服務(wù)。

　　空間粒子輻射探測(cè)的其中一項(xiàng)重要任務(wù)是對(duì)空間中的質(zhì)子的測(cè)量，測(cè)量能譜、方向等�？臻g質(zhì)子存在各個(gè)日地間區(qū)域、日球?qū)蛹捌渌麉^(qū)域，來自太陽、宇宙線以及行星輻射帶�？臻g質(zhì)子可能造成航天器的輻射劑量效應(yīng)、原子位移效應(yīng)及單粒子效應(yīng)等，這些效應(yīng)輕者導(dǎo)致航天器性能下降，重者造成系統(tǒng)失效。風(fēng)云一號(hào)(B)衛(wèi)星便是由于單粒子效應(yīng)，造成自控系統(tǒng)損壞，而整星失效，損失巨大。

　　通過對(duì)于空間質(zhì)子通量、方向等方面進(jìn)行探測(cè)，獲取空間質(zhì)子的能譜分布、區(qū)域分布以及變化規(guī)律等方面。從而一方面為空間粒子演化規(guī)律等研究創(chuàng)新提供數(shù)據(jù)支持;另外一方面為航天設(shè)計(jì)提供保障。為保證科學(xué)儀器在軌可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，在地面開展儀器定標(biāo)是儀器研制過程中重要環(huán)節(jié)，通過地面定標(biāo)可以對(duì)儀器性能和指標(biāo)進(jìn)行考核驗(yàn)證。

　　粒子加速器定標(biāo)是考驗(yàn)一臺(tái)儀器性能指標(biāo)的重要手段，而加速器定標(biāo)重要關(guān)注的是粒子加速器，其指標(biāo)性能直接影響儀器定標(biāo)問題。國(guó)內(nèi)外對(duì)于空間探測(cè)儀器定標(biāo)所需加速器，基本上采用專用加速器和改造大型加速器方法進(jìn)行[6-8]。因此，開展基于國(guó)內(nèi)空間質(zhì)子探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)分析的情況下，分析空間質(zhì)子探測(cè)儀器定標(biāo)的加速器技術(shù)指標(biāo)需求。

　　1、空間質(zhì)子探測(cè)

　　自從范愛倫發(fā)現(xiàn)地球輻射帶，并且確認(rèn)輻射帶由質(zhì)子和電子為主構(gòu)成�？臻g質(zhì)子探測(cè)成了大部分空間科學(xué)研究和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)內(nèi)容，無論是地球空間科學(xué)衛(wèi)星還是行星際探測(cè)。通過對(duì)于空間質(zhì)子探測(cè)，了解空間不同軌道輻射環(huán)境的變化特點(diǎn)和規(guī)律及惡劣狀態(tài)，獲取空間輻射環(huán)境的耦合、擴(kuò)散及傳播等演化機(jī)理和機(jī)制。

　　如圖1所示，日地空間主要區(qū)域的質(zhì)子能譜分布。能量上從太陽風(fēng)質(zhì)子eV到宇宙線質(zhì)子TeV的范圍，跨越了8個(gè)數(shù)量級(jí);通量從宇宙線10^-5 Pa/cm²·s到太陽風(fēng)10¹⁵ Pa/cm²·s的范圍，跨越了20個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1 日地間空間質(zhì)子能譜分布

　　空間質(zhì)子探測(cè)根據(jù)能量不同，在低端可以采用靜電分析器結(jié)合微通道板實(shí)現(xiàn)，而在keV到MeV采用半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡方式實(shí)現(xiàn)，在高能量可以采用閃爍體組合及切倫科夫等方法實(shí)現(xiàn)。通常在空間探測(cè)領(lǐng)域會(huì)將低能質(zhì)子探測(cè)歸為空間等離子體探測(cè)，所以后繼討論均為空間高能質(zhì)子探測(cè)方面。

　　國(guó)際經(jīng)過多年的空間探測(cè)任務(wù)牽引，質(zhì)子探測(cè)器已經(jīng)向小型化、高精度等方面發(fā)展。國(guó)內(nèi)歷經(jīng)多年的發(fā)展，經(jīng)過早期實(shí)踐4號(hào)等航天工程起步階段，而后在空間氣象監(jiān)測(cè)、載人航天及空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)等任務(wù)需求下，不斷在向高精度、寬能譜等方向推進(jìn)。如下表1所示，為國(guó)內(nèi)部分典型航天任務(wù)空間質(zhì)子探測(cè)指標(biāo)。

表1 國(guó)內(nèi)典型航天任務(wù)空間質(zhì)子探測(cè)指標(biāo)

　　國(guó)內(nèi)空間質(zhì)子探測(cè)由早期重點(diǎn)關(guān)注輻射帶粒子測(cè)量，拓展到關(guān)注包括地球極區(qū)粒子上下行、太陽爆發(fā)、日球?qū)拥葏^(qū)域粒子的測(cè)量;由早期關(guān)注高能段帶電粒子拓展到關(guān)注產(chǎn)生高能粒子的種子粒子的中、低能量段，并且同時(shí)向更高能量段進(jìn)行延伸;由早期的帶電粒子能譜測(cè)量，拓展到同時(shí)開展帶電粒子方向分布測(cè)量。

　　4、小結(jié)

　　空間質(zhì)子定標(biāo)束流系統(tǒng)研制完成以后，可以模擬各類活動(dòng)狀態(tài)下空間輻射環(huán)境的質(zhì)子狀態(tài)，可以為國(guó)內(nèi)高能質(zhì)子、中能質(zhì)子及中性原子探測(cè)儀器的定標(biāo)提供粒子束流，為空間科學(xué)儀器數(shù)據(jù)產(chǎn)出的質(zhì)量提供保障。

　　質(zhì)子束流系統(tǒng)研制完成以后，加上國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的30 keV質(zhì)子束流源，將可以提供10 MeV能量以下所有能量質(zhì)子束流，進(jìn)一步完善國(guó)內(nèi)空間質(zhì)子探測(cè)儀器研制試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)備能力，從而為穩(wěn)固國(guó)內(nèi)在國(guó)際上空間粒子探測(cè)一流水平提供支撐。