阿尔法磁谱仪

用于探测宇宙中奇异物质的设备

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer）是一个计划安装于国际空间站上的粒子物理试验设备。其目的在于探测宇宙中的奇异物质，包括暗物质及反物质。 2009年11月初，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授宣布，阿尔法磁谱仪于2010年7月29日早上7点30分在美国肯尼迪空间中心搭乘奋进号航天飞机的STS-134航班升空，送到国际空间站，开始为期3年的探索之旅。2011年5月16日，阿尔法磁谱仪随“奋进”号航天飞机升空，中国科学家为磁谱仪倾注了大量心血，参与项目的国际同行对中国科学家的贡献给予高度评价。

基本简介

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，又译反物质太空磁谱仪，简称AMS是一个由美国麻省理工大学丁肇中教授构思建造的物理探测仪器。他所带领的高能物理团队将三十多年来粒子加速器所积攒下来的经验推向太空。阿尔法磁谱仪依靠一个巨大的超导磁铁及六个超高精确度的探测器来完成它搜索的使命。

这个粒子物理的实验在国际空间站（ISS）的主构架上被放置三年，远离大气层以保证不受干扰，并充分利用国际空间站上的系统来采集数据。原计划阿尔法磁谱仪由NASA的航天飞机送入太空。但由于航天飞机近年来事故的影响，使得发射时间一再推迟，一直到2011年5月16日，美国“奋进”号航天飞机携带着中国参与制造的阿尔法磁谱仪，从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站。

整个探测器的机械结构的设计、制造和环境试验是由中国运载火箭技术研究院承担的，精度非常高，能达到航天飞机在起飞和着路时对机械结构强度的十分苛刻的要求。中国水利水电科学研究院承担了对机械结构强度的试验。

主体结构

自1995年6月至1997年7月，CALT的总体设计部完成了AMS主结构的方案设计、初步设计及技术设计，由211厂生产制造了两台阿尔法磁谱仪主结构。

主结构的主体系外径为1.3米，内径为1.15米，高0.8米的空心高强度铝制圆柱体。永磁体呈条状插入主结构，其磁场强度高达1400高斯。主结构要求高精度，在生产及装配过程中严格控制偏差，以使其与航天飞机对接时不产生装配应力。

1996年4月第一台供地面试验的阿尔法磁谱仪主结构顺利完成生产，安装好永磁体后进行了振动试验及离心试验，试验一次通过，技术状态良好。

1997年3月完成了飞行件的生产。丁肇中教授携各国科学家10余人来CALT验收，对设计、生产质量表示满意。

1997年11月，美国国家宇航局NASA对阿尔法磁谱仪主结构进行了第二阶段的安全评审，评审委员会一致通过，并破先例地取消了第三阶段的安全评审。

1998年6月，安装了各种探测仪器的阿尔法磁谱仪在航天飞机上进行了为期10天的飞行，获得了大量的科学数据。

1998年12月由原航天总公司科技委对AMS主结构进行了技术鉴定，鉴定认为：阿尔法磁谱仪主结构的成功研制开创了中国航天技术进入国际高能粒子物理研究领域的先例，主结构在薄壳结构设计分析、制造工艺和地面试验方面达到了国际先进水平。

项目合作

阿尔法磁谱仪重达6700千克，中国多家单位参加了研制，其中，中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院与法国、意大利的两个单位合作，研制了阿尔法磁谱仪电磁量能器，能够测量能量高达TeV的电子和光子，是寻找暗物质的关键子探测器。参加阿尔法磁谱仪国际合作的中国单位还包括中国科学院电工研究所、上海交通大学、东南大学、山东大学、中山大学，以及中国台湾的“中央研究院”物理研究所、“中央大学”、中山科学研究院等。

永磁系统

中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院成功地研制出阿尔法磁谱仪最关键的永磁体系统，包括用高性能钕铁硼材料制成的永磁体和支撑整个磁谱仪的主结构。独特的魔环设计满足了空间实验对漏磁和磁二极矩的严格要求。

永磁体总重量约为2t，接收度为0.6m2·sr，磁偏转能力BL2为0.135T·m2，并在40℃以下不出现退磁。主结构采用双层薄壳系统，能经受永磁体强大的磁力和扭矩，以及起飞、着陆时的巨大载荷。永磁体系统通过了严格的空间环境模拟试验，满足了阿尔法磁谱仪的要求，并达到了美国宇航局严格的安全可靠标准。

阿尔法磁谱仪2曾尝试用超导磁体代替永磁体。尽管这种方法可以产生更强的磁场，但超导磁体需要液氦冷却，太空中无法补充液氦，这样磁谱仪寿命只有3年。而使用永磁体的磁谱仪的使用寿命长达18年至20年，所以专家们决定沿用永磁体。

物理试验

阿尔法磁谱仪是一个大型的粒子物理实验。它是在三十年来从数十个气球，飞船和地面探测实验得出来的宇宙射线知识的基础上建立的。理论物理学家预测并在对撞机中寻找的几种粒子有可能在宇宙射线中存在。实验则有可能探测到它们，并得到粒子和它们远方的天体来源的宝贵信息。

阿尔法磁谱仪具体观测太空中高能辐射下的电子，正电子，质子，反质子与核子。这些探测结果有可能解答关于宇宙大爆炸一些重要的疑问，例如“为何宇宙大爆炸产出如此少的反物质？”或“何等物质构成了宇宙中看不见的质量？”

升空探索

2009年11月，丁肇中教授在日内瓦欧洲核子研究中心宣布，用于寻找宇宙中的反物质和暗物质的重要科学仪器阿尔法磁谱仪（AMS02）于2010年7月29日早上7点30分（美国东部时间），在美国肯尼迪空间中心搭乘奋进号航天飞机的STS-134航班升空，送到国际空间站，开始为期3年的探索之旅。

但是出于安全考虑发射一再推迟，经历了多次推迟发射事件之后，阿尔法磁谱仪2终于在美国东部时间2011年5月16日上午搭乘“奋进”号航天飞机升空。

按照航天局计划，“奋进”号完成最后一次飞行后退役，“亚特兰蒂斯”号也完成“绝唱之旅”。美国航天飞机全部退役，运行30多年的航天飞机项目宣告终结。

阿尔法磁谱仪升空后，在短时间内获得的数据就可使阿尔法磁谱仪正电子能谱的测量范围和精度超过正在空中运行的PAMELA空间探测器（由意大利、俄罗斯联合研制），并有能力对空间电子能谱几个测量结果作出判断。今后相当长的一段时期，阿尔法磁谱仪作为最主要的空间粒子探测器之一，对重大的科学前沿课题进行探索，是意义重大的空间实验。

2013年2月18日，在美国波士顿结束的美国科学促进会（AAAS）年会上，美国麻省理工物理学家丁肇中及其领导的研究团队对外宣布，他们的阿尔法磁谱仪（AMS）发现了弱相互作用大质量粒子（WIMP）存在的证据，6个科研小组达成了一致意见，都赞同是探测到WIMP，而WIMP就是一种暗物质的候选体。丁肇中称，于2013年2月18日后两到三周发表涉及暗物质的研究论文，对这项研究的进展作详细阐述。

中国贡献

贡献项目

参与磁谱仪项目的中国大陆科研团队主要有8个，分别为中科院电工所、中国运载火箭技术研究院、山东大学、东南大学、中山大学、上海交通大学杨煜普小组、中科院高能所以及航空科学与技术国家实验室；来自中国台湾的团队主要有“中央研究院”、中山科学院等。他们的贡献各不相同，但都必不可少。

中科院电工所研制成功了磁谱仪的核心部件——磁体系统。该磁体具有对高能粒子吸收作用小的特点，实现磁体与地磁无相互作用的力矩，极大降低了对空间飞行器的影响，解决了几十年来不能将较强磁场磁体送入外层空间运行的世界技术难题。

中国运载火箭技术研究院承担了磁谱仪量能器结构的研制工作，并在磁谱仪探测器的建造过程中发挥了重要作用。该院设计的磁体主结构在1998年曾搭乘航天飞机进行了为期10天的空间工作，在地面存放10多年后仍保持良好的性能，并继续用作阿尔法磁谱仪2的磁体主结构。

磁谱仪对热环境的要求极其苛刻，各探测器的性能也与温度有关，热系统的研制水平及质量直接决定着磁谱仪的工作状态、运行寿命及实验可靠性。在热系统的研究和设计过程中，国家973计划首席科学家程林教授领导的山东大学团队提出了不同结构形式的散热元件，保证了系统的高效散热及温度场的均匀和稳定，解决了磁谱仪在国际空间站运行的关键问题。

东南大学在项目中主要承担了3项任务——建立磁谱仪实验系统、反物质探测系统和地面数据处理系统。

中国台湾的中山科学院也完成了“不可能的任务”——为项目设计出了运行速度比美国航天局现行系统快10倍的电子控制系统……

世界赞誉

中国科学家为磁谱仪项目所作贡献得到了项目首席科学家丁肇中、项目组以及其他国家科学家的广泛赞誉。

丁肇中曾对记者表示：“中国科学家为磁谱仪实验作出了决定性贡献。”

美国航天局专家肯·鲍尔曾在验收产品后对其上司说：“如果你们要找一家能够设计和制造一流航天产品的机构的话，那我告诉你，中国有个运载火箭技术研究院，他们有能力完成这个任务。”

山东大学在磁谱仪项目所有参与机构中第一个完成任务，得到了美国航天局的高度评价。项目组在致山东省科技厅的项目鉴定意见中写道：“您将会高兴地获知整个项目组对山东大学工作最高程度的认可。事实上，正是山东大学的工作让这个实验真正成为可能。”

硅微条轨迹探测器热控系统在欧洲航天局进行的热真空测试中表现出超乎寻常的温度稳定性。项目组对热控系统的评价是：“没有硅微条轨迹探测器热控系统就没有阿尔法磁谱仪实验”。

磁谱仪项目首席工程师、意大利人戈达多·加吉奥洛告诉记者，中国科学家为项目作出了“巨大贡献”，“我与中国科学家的合作非常愉快”。

美国麻省理工学院核科学实验室主任理查德·米尔纳也认为，中国科学家对项目的贡献是“决定性的”。

2型介绍

2009年11月，丁肇中教授在日内瓦欧洲核子研究中心宣布，用于寻找宇宙中的反物质和暗物质的重要科学仪器阿尔法磁谱仪2（AMS02）于2010年7月29日早上7点30分（美国东部时间），在美国肯尼迪空间中心搭乘奋进号航天飞机的STS-134航班升空，送到国际空间站，开始为期3年的探索之旅。。“阿尔法磁谱仪2”原计划于2004年由美国航天飞机送入太空，但其行程因2003年“哥伦比亚”号失事被一拖再拖。在此期间，以丁肇中为首的科学家对阿尔法磁谱仪2型进行了不断改进，其中曾尝试用超导磁体代替永磁体，但最终经模拟空间测试仍决定使用永磁体。“阿尔法磁谱仪2”采用的永磁体就是1998年阿尔法磁谱仪1型太空实验时使用的，是由中科院电工研究所等制造的。

据悉，阿尔法磁谱仪现已组装完毕，在欧洲核子研究中心进行束流测试，然后运到欧洲航天局在荷兰的欧洲空间技术和研究中心（ESTEC）的环境试验中心进行热真空实验。2010年初，阿尔法磁谱仪被运到美国肯尼迪空间中心与航天飞机对接。

阿尔法磁谱仪升空后，在短时间内获得的数据就可使阿尔法磁谱仪正电子能谱的测量范围和精度超过在空中运行的PAMELA空间探测器（由意大利、俄罗斯联合研制），并有能力对空间电子能谱几个测量结果作出判断。今后相当长的一段时期，阿尔法磁谱仪作为最主要的空间粒子探测器之一，对重大的科学前沿课题进行探索，是意义重大的空间实验。

这一项目投入达20亿美元，研究人员来自美、欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构，其中包括中科院电工研究所、高能物理所、山东大学、东南大学、中山大学等。它被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划和强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。

暗物质

AMS-一种粒子加速器，绰号为太空的大型强子对撞机。AMS的最初实验结果发现了可能是暗物质的痕迹。不仅是AMS,很多地上甚至深埋地下的实验室也曾发现过暗物质的痕迹。

AMS内部。这一粒子物理学实验模块位于国际空间站，它旨在通过测量宇宙射线来搜寻各种不同类型的罕见物质。

2013年3月，欧洲航天局的普朗克望远镜搜集的138亿年前宇宙大爆炸后的数据显示，神秘的暗物质占据了整个宇宙密度的26.8%，比之前预想的要更多。正常的物质，例如天文学家利用强大的望远镜能够观测到的星系和行星，只占据了全部物质的4.9%。剩余的则是更加神秘的暗能量，后者被认为是导致宇宙不断扩张的“幕后推手”。

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