1993 年3 月，宇宙線研究室接到一個(gè)全新的課題：搭載中國(guó)載人飛船開展空間天文研究。1992 年9 月21 日中共中央常委會(huì)批準(zhǔn)實(shí)施載人航天工程(代號(hào)921 工程)，按三步走的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性飛船。包括航天員系統(tǒng)、空間應(yīng)用系統(tǒng)，載人飛船系統(tǒng)，運(yùn)載火箭系統(tǒng)等八大系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院承擔(dān)空間應(yīng)用系統(tǒng)，開展空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文觀測(cè)、地球環(huán)境監(jiān)測(cè)等研究。為此中國(guó)科學(xué)院成立空間科學(xué)與應(yīng)用總體部(以下簡(jiǎn)稱“總體部”)，總抓空間應(yīng)用系統(tǒng)的工作。原我所常務(wù)副所長(zhǎng)張厚英任總指揮，原宇宙線研究室副主任顧逸東任副總指揮，后任總師。
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(簡(jiǎn)稱高能所)和中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱紫臺(tái))組成空間天文分系統(tǒng)，下設(shè)兩個(gè)子系統(tǒng)。分系統(tǒng)指揮高能所副所長(zhǎng)趙維仁，趙維仁退下后由陳和生所長(zhǎng)擔(dān)承。分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師馬宇蒨(曾用名：馬宇倩)總抓高能所和紫臺(tái)的兩個(gè)子系統(tǒng);高能所X射線探測(cè)器主管設(shè)計(jì)師沈培若負(fù)責(zé)X射線探出器項(xiàng)目的進(jìn)度，經(jīng)費(fèi)，質(zhì)量管控，電控箱機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)接口表;王煥玉負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取兼可靠性設(shè)計(jì);張承模負(fù)責(zé)X射線探頭研制;徐玉朋負(fù)責(zé)數(shù)管電路和1553B 總線;李毅負(fù)責(zé)子系統(tǒng)物理設(shè)計(jì);林寶軍博士后出站后參與軌道本底輻射計(jì)算，1996 年后調(diào)至總體部;趙敏參與數(shù)采軟件設(shè)計(jì)，1998 年出國(guó)留學(xué)。張俊逸負(fù)責(zé)檔案和元器件保管;1998 年4 月完成初樣驗(yàn)收后沈培若去美國(guó)猶他大學(xué)作訪問(wèn)學(xué)者。1999 年至2000 年王煥玉任分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師，張承模任主管設(shè)計(jì)師，徐玉朋擔(dān)任副主管設(shè)計(jì)師。
圖1 X射線探測(cè)器項(xiàng)目部分成員于2001 年7 月合影
(左起：馬宇蒨、張俊逸、徐玉朋、沈培若、王煥玉和張承模)
1994 年在顧逸東建議下，空間天文觀測(cè)項(xiàng)目爭(zhēng)取放到第一艘飛船，因?yàn)閺?21 工程領(lǐng)導(dǎo)到工程人員對(duì)第一艘飛船關(guān)注度最高。這里增加一個(gè)小插曲：921 工程第一步計(jì)劃四艘飛船，前三艘建成初步的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。第四艘是真正的載人飛船。為保證飛船成功，在模樣設(shè)計(jì)一年多后增加了一艘飛船，試驗(yàn)運(yùn)載火箭和飛船的測(cè)控、遙測(cè)參數(shù)接收等功能。把木模放在神舟一號(hào)上，于是原先的神舟一號(hào)飛船成為神舟二號(hào)飛船。
“神二”飛船采用三艙一段構(gòu)成, 軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙和附加段。飛船的三個(gè)艙段安裝了大大小小64 件儀器設(shè)備組成的有效載荷，返回艙里15件，軌道艙12 件，附加段37 件。空間天文探測(cè)器安裝在“神二”飛船附加段里。我室任國(guó)孝、荊貴茹的固體徑跡探測(cè)器安裝在“神二”飛船返回艙里。
宇宙γ射線暴是宇宙中一種突發(fā)的短促的能巨大的伽瑪射線爆發(fā)現(xiàn)象，每秒鐘爆發(fā)能量高達(dá)千億個(gè)原子彈。伽瑪暴的來(lái)源及其發(fā)射機(jī)制自1967年發(fā)現(xiàn)以來(lái)至今還是一個(gè)謎，這是一個(gè)重要的國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)課題。太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)表面局部區(qū)域突然和大規(guī)模的向外發(fā)射各種電磁輻射并伴隨粒子輻射突然增強(qiáng)，太陽(yáng)耀斑中質(zhì)子耀斑(質(zhì)子事件)產(chǎn)生的高能質(zhì)子輻射，對(duì)載人飛船有很大威脅，對(duì)短波通訊、洪澇災(zāi)害等也有直接影響。“神舟二號(hào)”飛船上攜帶了空間天文探測(cè)器，在進(jìn)行宇宙γ射線暴探測(cè)研究的同時(shí)兼顧太陽(yáng)耀斑高能輻射監(jiān)測(cè)。目的就是嘗試為解開這一謎底提供更多的信息。
經(jīng)過(guò)一年多的討論磨合，簡(jiǎn)化探測(cè)器方案，滿足飛船系統(tǒng)分配給空間天文分系統(tǒng)的幾何尺寸、重量和電功率，最終方案確定為高能所和紫臺(tái)聯(lián)合建一套寬波段空間γ暴監(jiān)測(cè)器，包含三個(gè)探測(cè)器：高能所研制雙探頭X射線探測(cè)器;紫臺(tái)一個(gè)超軟X射線探測(cè)器和一個(gè)γ(伽瑪)射線探測(cè)器。三個(gè)探測(cè)器各自獨(dú)立，又相互聯(lián)合組成寬能區(qū)(0.2keV-10MeV)、高時(shí)間分辨率譜儀，用于探測(cè)并研究宇宙γ(伽瑪)射線暴和太陽(yáng)耀斑爆發(fā)等高能輻射的寬波段能譜和快速時(shí)變現(xiàn)象。這是我國(guó)首次對(duì)γ暴和太陽(yáng)耀斑進(jìn)行空間探測(cè)。
空間X射線探測(cè)器由低能探頭、高能探頭、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)電路、數(shù)據(jù)管理與通訊電路及計(jì)數(shù)電路，還有數(shù)采和數(shù)管軟件等組成。探測(cè)器是以碘化鈉(NaI (Tl))為晶體的閃爍計(jì)數(shù)器，分高低能二個(gè)探頭，低能探頭的碘化鈉晶體直徑125mm，厚6mm，高能探頭的晶體厚度為15mm。它們的探測(cè)能區(qū)分別為10-200eV 和40-800keV。雙探頭相互聯(lián)合不僅增加了能段，還互為冗余。圖2 是裝載在神二上的X射線探測(cè)器。空間X射線探測(cè)器工作原理如圖3，X、γ射線通過(guò)碘化鈉晶體時(shí)，激發(fā)產(chǎn)生熒光，光子經(jīng)光電倍增管放大后轉(zhuǎn)換成電脈沖，再經(jīng)放大進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理和傳輸系統(tǒng)，微處理器在程序控制下按1553B的總線協(xié)議下傳數(shù)據(jù)，由地面接收站接收。
圖2 寬波段空間γ暴監(jiān)測(cè)器安裝在“神二”飛船附加段里
圖3 神二X射線探測(cè)器原理圖
空間衛(wèi)星探測(cè)器是一項(xiàng)全新的項(xiàng)目，研制遇到許多困難，在總體部的不斷指導(dǎo)下，緊跟總體部，一步一步從木模、模樣、初樣、正樣，走過(guò)四個(gè)步驟，每一步都要經(jīng)專家組評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后才能走到下一步。衛(wèi)星探測(cè)器的工作環(huán)境相對(duì)于地面環(huán)境惡劣得多，晝夜溫差大，真空下元器件散熱差;光電倍增管承受的負(fù)壓、振動(dòng)、沖擊;電子器件耐受電磁輻射的照射，關(guān)鍵芯片要預(yù)防高能質(zhì)子損傷;還有火箭發(fā)射時(shí)的振動(dòng)，上升過(guò)程中幾個(gè)G的加速度沖擊。所以航天產(chǎn)品必須經(jīng)過(guò)高低溫?zé)嵫h(huán)、熱真空循環(huán)試驗(yàn)及力學(xué)試驗(yàn)，振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，還有電磁兼容性和抗干擾能力等一系列測(cè)試，總之比地面研制難上十倍百倍。空間衛(wèi)星探測(cè)器要高穩(wěn)定性，高可靠性以及長(zhǎng)壽命。因此對(duì)元器件選擇要求很高，選用軍用級(jí)、航天級(jí)，元器件由專人專柜保管。1998 年4 月高能所承擔(dān)的X射線探測(cè)器初樣產(chǎn)品硬件和軟件按航天產(chǎn)品初樣試驗(yàn)規(guī)范要求通過(guò)總體部驗(yàn)收。硬件包含二個(gè)X射線探頭和一個(gè)電子學(xué)機(jī)箱(包含前端電子學(xué)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)等)，以及微處理器的數(shù)據(jù)管理和1553B 的總線協(xié)議下傳數(shù)據(jù)等程序。X 射線探測(cè)器的初樣通過(guò)驗(yàn)收意味著X射線探測(cè)器研制大功告成，因?yàn)檎龢赢a(chǎn)品選擇品質(zhì)更高的器件復(fù)制初樣產(chǎn)品。項(xiàng)目組又經(jīng)過(guò)兩年多奮戰(zhàn)，完成了正樣產(chǎn)品。
2001 年1 月10 日1 時(shí)0 分3 秒神二號(hào)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射取得圓滿成功，飛船進(jìn)入預(yù)定軌道。神二共搭載64 件科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，均為首次上天的正式產(chǎn)品。神二飛船在太空飛行了6 天零18 小時(shí)，108 圈之后神二返回艙安全著陸。遺憾的是降落傘的故障，神二飛船返回艙里的科學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品沒能回收。當(dāng)返回艙脫離后，軌道艙在距地球表面高度340 公里圓軌道飛行。寬波段空間γ暴監(jiān)測(cè)器啟動(dòng)運(yùn)行，工作穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。于1 月17 日就捕捉到第一個(gè)宇宙γ暴，4 月2 日和4 月15 日觀測(cè)到10 來(lái)個(gè)最大的太陽(yáng)耀斑爆發(fā)和高能輻射事件。飛船于6 月26 日完成使命，共160 天，千余小時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了644 組能譜數(shù)據(jù)，228 組爆發(fā)事例。發(fā)現(xiàn)了30 余例γ射線爆發(fā)事件，包括幾個(gè)最強(qiáng)的太陽(yáng)耀斑在內(nèi)的130 余例太陽(yáng)爆發(fā)事例。X射線探測(cè)器觀測(cè)能區(qū)在10~800keV，剛好是γ暴和太陽(yáng)耀斑爆發(fā)的主要波段，因此它成了捕捉γ暴的主要探測(cè)器。馬宇蒨等人發(fā)揮了數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)勢(shì)，分離、鑒別幾百例來(lái)自不同源的爆發(fā)事例。實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次對(duì)宇宙γ暴等高能爆發(fā)現(xiàn)象的空間實(shí)測(cè)和研究。
圖4 2001 年1 月6 日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)與神二合影
(左起：王煥玉、荊貴茹、張承模)
神舟二號(hào)空間天文分系統(tǒng)項(xiàng)目在探測(cè)器的設(shè)計(jì)和研制、觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析方法的全面成功，是我國(guó)天文觀測(cè)走向外太空的首例。此項(xiàng)目《神州二號(hào)寬波段空間伽瑪射線暴觀測(cè)研究及儀器研制》獲2004 年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，見圖5。紫金山天文臺(tái)和高能物理研究所各五位主要完成人獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)證書，高能物理研究所的馬寧蒨為項(xiàng)目第一完成人，其他四位是王煥玉、張承模、徐玉朋和沈培若。高能所的X射線探測(cè)器還獲得北京市科學(xué)技術(shù)和中囯人民解放軍總裝備部的科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。目前探測(cè)器的設(shè)計(jì)思想、研制和觀測(cè)方法已經(jīng)推廣到國(guó)內(nèi)天文、空間物理、對(duì)月探測(cè)相關(guān)領(lǐng)域。此項(xiàng)目培養(yǎng)了一批年輕骨干走上重要職務(wù)。原紫金山天文臺(tái)的常進(jìn)碩士，現(xiàn)在成為中科院院士、“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家、國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)。原高能所林寶軍博士，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)、北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師。王煥玉(已故) 成長(zhǎng)為中國(guó)粒子天體物理和空間探測(cè)領(lǐng)域杰出專家，曾任高能所黨委書記兼副所長(zhǎng)。徐玉朋由實(shí)習(xí)研究員成為研究員，擔(dān)任HXMT(慧眼)衛(wèi)星有效載荷副總設(shè)計(jì)師。2018 年起，擔(dān)任X射線天文臺(tái)eXTP 衛(wèi)星有效載荷總設(shè)計(jì)師。張承模工程師成為正研級(jí)高工，“慧眼”有效載荷總質(zhì)量師。項(xiàng)目第一完成人馬宇蒨研究員獲三部委頒發(fā)的中國(guó)載人航天工程突出貢獻(xiàn)者獎(jiǎng)，中國(guó)空間科學(xué)理事。
圖5 國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)證書
神舟二號(hào)飛船空間天文觀測(cè)的成功為我所粒子天體物理研究中心開了個(gè)好頭，從此粒子天體物理研究中心的衛(wèi)星項(xiàng)目一個(gè)接一個(gè)，似雨后春筍。國(guó)家探月工程嫦娥一號(hào)衛(wèi)星、嫦娥二號(hào)衛(wèi)星上的X射線譜儀,嫦娥三號(hào)衛(wèi)星上的粒子激發(fā)X射線譜儀;我國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星( “慧眼”)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡、天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的伽瑪射線暴偏振實(shí)驗(yàn)POLAR、空間電磁環(huán)境衛(wèi)星的低能和高能電子譜儀以及“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的硅微條探測(cè)器陣列，以及引力波電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測(cè)器(GECAM)、增強(qiáng)型X 射線時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星(eXTP計(jì)劃于2025 年發(fā)射)、中國(guó)空間站高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施(HERD計(jì)劃于2025年發(fā)射)等。
感謝馬宇蒨、張承模對(duì)此文的修改和提供X射線探測(cè)器正樣照片。
