书城科普读物百科知识-科普新课堂:妙趣射线
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第20章 神秘的AMS

1998年6月2日下午6时8分(美国东部夏令时),我国时间是6月3日的清晨,一台大型的、现代化的科学实验仪器--阿尔法磁谱仪,简称AMS,搭载美国“发现号”航天飞机,成功地在太空遨游了10天,这是人类历史上第一次将一台大型的磁谱仪送入宇宙空间,标志着人类在探索宇宙奥秘的事业中揭开了新的篇章。

宇宙起源问题一直是人们探索的重大课题之一,宇宙大爆炸理论则是人们关注的焦点。为了早日揭开宇宙之谜,近几十年来,各国科学家曾提出过各种各样的研究方案,试图将一台大型磁谱仪送入太空;实现对宇宙空间带电粒子进行直接观测。

磁谱仪的关键部件是一个高强度、性能稳定、适合于太空运行的大型磁铁。由于制造这种磁铁技术性强,难度大,一直未能研制出这种磁铁,致使这一重大科研课题始终未能进行研究。

如今,我国科技人员为实现这一跨世纪的国际合作科学实验做出了重要的贡献,填补了这方面的空白,从而使这个长期悬而未决的问题有了研究的可能。

从指南针到阿尔法磁谱仪中的永磁铁,可谓源远流长,耐人寻味。指南针为我国古代的四大发明之一,世人皆知。早在战国时期(公元前475~前221年),人们便将磁石制成能够指示方向的仪器,称为“司南”。后来,人们又利用磁针指南,制成了人类历史上最早的指南针。到了北宋时期,古人已开始将指南针应用于航海技术中。在海船上,安装了指南针,它就能够准确地为人们辨认航向,为人类航海事业的发展做出了重大的贡献。到了南宋时期,指南针经阿拉伯人传到了欧洲,从而为欧洲航海家发现新大陆和实现环球航行提供了重要的条件。

今天,在制造太空运行的永磁铁方面,炎黄子孙又一次创造了奇迹。中国的科学家终于巧妙地用钕铁硼永磁材料研制出送入太空的第一个永磁铁,这是阿尔法磁谱仪的关键部件,从而为人类探索宇宙的奥秘,为人类的科学事业做出了应有的贡献。

安装在阿尔法磁谱仪上的这块永磁铁呈圆柱形,内径为12米,长为08米,它是由50阗个标准磁块组装而成的,重达2吨多。这种永磁铁有3个方面显著的特点:

首先,它的磁场强度大,高达1400高斯,相当于地球磁场强度的2800倍,这对于永磁铁来说实属罕见。采用这种高强度的磁铁,可以极大地提高阿尔法磁谱仪的灵敏度。

其次,“密封”得相当好,漏磁非常小,显示出其结构的绝妙之处。如此好的性能为运输和使用带来了极大的方便,不会影响航天飞机和空间站上各种仪器设备的正常工作。

最后,性能非常稳定。经检测和进行各项空间环境模拟试验,完全符合美国宇航局的各项要求。仅经过两次测试便合格,因而免去了第三次检测,这对于一个大型实验器件尚无先例,从而显示出中国科学家的聪明才智和认真负责的工作态度。

我国制造出这样高质量的永磁铁,成为人类进入宇宙空间的第一个大型磁体系统,令各国科学家赞叹不已。领导这项大型科学实验工作的γ中博士对这一研制成果给予了极高的评价,盛赞中国科学家和工程技术人员为阿尔法磁谱仪的实验工作做出的突出贡献。

四大发明是我们的祖先做出的,是我们古老文明的象征,每当谈及此事时,作为一个炎黄子孙便感到无比的自豪。今天,谈起阿尔法磁谱仪便会想到其核心部件--永磁铁,这也让我们感到一种巨大的鼓舞。

阿尔法磁谱仪由永磁铁和一组精密的探测器组成。在永磁铁产生的磁场中,带有正电荷的粒子在磁场力的作用下,向一个方向偏转;而带有负电荷的粒子则偏向另一个方向。通过永磁铁内部的探测装置,可以测量出粒子的动量、电荷,以及粒子运动的径迹,从而能够鉴别出粒子的类型。

利用阿尔法磁谱仪能够对宇宙线进行精确的测量。宇宙线来自太空,它们在大气层的顶部产生簇射,并有众多粒子击中地球。对这些高能量的粒子,科学家们已进行了大量的地面实验和大气实验,并进行了长期的研究,但利用像阿尔法磁谱仪这样的仪器来测量还是第一次。与上面介绍的那些探测器不同的是,阿尔法磁谱仪是运行在300多千米的高空,探测的是没有和大气原子发生作用的原始的宇宙线。

阿尔法磁谱仪经过10多天的成功飞行,取得了300多小时的数据,获取了3亿多个事例,观测到了原始的宇宙线粒子,其中有质子(占80%左右)、反质子和各种原子核。对测量结果的分析表明,采集的数据质量非常高,能够正确区分各种粒子,测量的精度已经达到了预期的要求。这一实验结果,引起了科学家们极大的兴趣。

在人类生存的环境中,对于各种元素的成分及其含量,各类同位素的含量百分比,人们已经进行了精确的测定。因而对于自然界的构成有了比较清楚的了解和认识。这对于人类利用自然、改造自然和保护生存环境是非常有益的。然而,有关宇宙间元素的构成,以及各种同位素的含量等有关问题,长期以来尚未进行过精确的测量,这对于人类来说,仍然是一个亟待解决的问题。希望阿尔法磁谱仪的太空之行,能够为我们提供许多新的科学信息,揭开宇宙的奥秘。

阿尔法磁谱仪经过改进以后,预计将于2003年送到阿尔法国际空间站,经过3~5年的运行,开展大规模的实验工作。

有美国、俄国、中国、意大利、德国等10多个国家和地区的37所科研单位的科学家和工程技术人员共同参与的这一重大的国际合作科研项目,开创了人类探索宇宙奥秘的新纪元。

随着天体物理学和高能物理学研究范围的不断扩大,宇宙线探测空间的外延,人们对探测仪器的要求必将越来越高。

发展新的探测技术,研制新型的探测装置已势在必行,阿尔法磁谱仪则是最具有代表性的一种,它更好地满足是了科学研究领域不断扩大、研究内容不断深入的需求。