基于激光等离子体加速器的新型空间辐射测试技术

1 概要描述与关键技术

1.1 基于激光等离子体加速器的新型空间辐射测试技术

当一束超短超强激光照射气体靶或固体靶时，激光的超强电场能够将靶电离成由电子、离子以及中性原子组成的新状态：等离子体。激光等离子体加速器存在多种加速机制，其中之一是鞘层加速，即首先在靶的前表面产生大量的超热电子，这些电子在穿过靶后，在靶后表面形成超强的电荷分离场，其电场强度可达1012V/m，持续时间可达几皮秒。这一电场可将靶后表面的离子加速到几十兆电子伏特。通过这种机制，我们能够产生超宽能谱，即能量从几千电子伏特到几十兆电子伏特（利用气体靶的尾波场加速机制甚至可以到亿电子伏特）的电子束和能量从几千电子伏特到20兆电子伏特的离子/质子束，以及γ光子束流。并且通过调节激光参数和靶参数，可以灵活调节电子束和离子/质子束能谱。利用这些粒子束流来轰击航天器上的芯片（见图1），可以很好地模拟太空环境中航天器电子器件受到的空间辐射。

Thomas Sokollik

上海交通大学物理与天文系

特别研究员

於陆勒

上海交通大学物理与天文系

助理研究员

1.2 基于激光等离子体加速器的新型空间辐射测试技术的颠覆性表现

与利用传统加速器的测试技术相比，利用激光等离子体新型加速器的测试技术有其独特优势：

（1）产生的粒子束流具有更大的发散角，因此能够测试更大面积的电子器件，或者能够同时测试几个电子器件。

（2）产生的粒子束流能谱具有灵活的可调谐性，可以更好地再现空间环境条件。

（3）能够同时产生电子束和离子束的混合束流，这更接近于真实的太空环境。例如，利用激光等离子体加速器我们能够产生能量从几兆电子伏特到几十兆电子伏特，具有指数分布能谱的电子束，这正是太空中外层范艾伦辐射带的能量分布。

（4）由于激光等离子体加速器的紧凑性，以及束流能谱的可调谐性，将大大降低测试装置的成本，从而降低航天器的制造成本，并为进一步提高航天器的可靠性提供重要支撑。

2 应用意义与前景

世界航天航空事业经过数十年的发展，已经取得了卓越成就。中国的航天航空事业在数十年的发展中，各种商业卫星的成功发射（见图2）、载人航天的成功实现、探月计划的有序进行，以及建设中的空间站等，表明中国已经进入这一领域的世界第一梯队。在这种大背景下，对航天器电子器件和电路的测试不仅是太空探测计划（例如火星探测、空间站建设）成功与否的关键，也是一些商用卫星能否正常运转的关键。这是因为太空环境非常恶劣，空间辐射中的电子和离子束流对电子器件的轰击，将大大缩短航天器的寿命，甚至直接损坏航天器。因此，对用于航天器中的电子器件，必须事先在地面上模拟测试空间辐射对其的轰击，来评估和延长其使用寿命。通常，人们利用传统射频加速器产生的粒子束流来进行这些测试。然而，这些传统加速器的缺点是其有限的可访问性，无法满足日益增长的测试需求。并且传统加速器产生的粒子束流与空间辐射束流相差较远，因而无法真实模拟空间环境。激光等离子体新型加速器有其独特优势。发展这种新型空间辐射测试技术，将大大降低电子器件的测试成本，从而降低航天器的成本，进而对国家空间计划的发展做出贡献。