空间科学先导专项研制的中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星即将于今年底升空。

 

　  作为我国首次研制的大型空间科学探测卫星，暗物质卫星主要的科学仪器无论在重量、功耗，还是电子学线路的复杂度、工程实现难度方面，均超出了以往传统意义上有效载荷的定义。

 

　  带着对这颗首次由中科院承担全部研制、生产工作的卫星的好奇，记者走近承担其中BGO量能器分系统的中国科学技术大学团队。

 

 

　  暗物质卫星由有效载荷和卫星平台两大部分构成。其中，有效载荷包括五大分系统：塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器及载荷数据获取（即载荷数管）分系统。

 

　  BGO量能器作为有效载荷的主体，承担着高能粒子的精密能量测量（5GeV~10TeV）、太空中的高能强子本底鉴别、以及为整个有效载荷提供触发信息等关键任务。从功能上来说，可以将BGO量能器的组件划分为探测器（负责实现物理探测）、读出电子学（负责对探测器输出的信号进行测量并转换成科学数据）及其机械结构三个部分。

 

　  “高能段电子的能谱测量，是暗物质卫星探测的核心目标。”中国科大核探测与核电子学国家重点实验室教授、BGO量能器分系统主任设计师刘树彬告诉《科学新闻》。中国科大作为分系统主体单位，与中科院紫金山天文台共同承担BGO量能器的研制任务。

 

　  事实上，早在卫星工程项目启动之前的2009年，中国科大的科研团队就参与了紫金山天文台研究员、暗物质卫星首席科学家常进所领导的暗物质探测卫星地面原理样机的研制工作，并得到了中科院知识创新工程重要方向项目的支持。

 

　  当时还是核探测与核电子学国家重点实验室博士研究生、现任BGO量能器分系统副主任设计师的封常青、张云龙，通过两年的努力，完成了地面原理样机BGO量能器的探测器和读出电子学的关键技术攻关，确定了PMT多打拿极信号输出、以及高集成度电荷测量ASIC芯片的读出方案。

 

　  两位博士生出色的毕业成绩单，也成为此后暗物质粒子探测卫星BGO量能器的技术基础。但作为卫星载荷，还必须在重量、体积、功耗等各种资源条件十分有限的情况下，达到高可靠的要求。因此，原有的地面原理样机成果并不能直接继承，要在此基础上，按照航天工程的管理要求继续进行技术攻关。

 

　  2011年，封常青和张云龙戴上博士帽，以优异的成绩从中国科大毕业。但摆在两位年轻人面前的，却是一次艰难的人生选择。

 

　  这一年年底，暗物质卫星正式立项，中国科大承担BGO量能器的工程研制工作。同时，由于封常青和张云龙博士出色的科研成就，不少企事业单位向他们抛来了橄榄枝。

 

　  但正如二人所说的，“这是博士期间我们付出努力做出的成果，和项目有很深的感情”，他们心意相通地共同放弃了其他的工作机会，选择以博士后身份留在母校，致力于暗物质卫星工程BGO量能器的工程设计和研制。

 

　  “能够亲身参与我国首次开展的大型空间粒子探测实验，我们真的感觉很高兴，也很荣耀。”封常青说。

 

 

　  但是作为暗物质工程航天队伍中的“新兵”，如何符合卫星标准，让BGO量能器顺利升空，并非易事。

 

　  BGO量能器结构复杂、指标先进、技术难度高，而且是我国空间型号任务中此类探测器装置的首次实现，并无先例可循，加之对质量和可靠性要求严格，其工程研制是一项艰巨的任务。

 

　  在刘树彬的主持下，已经是特任副研究员的张云龙和封常青带领着研究生团队，分别负责探测器、读出电子学的设计和工程研制，并密切配合，共同完成整机总装测试、地面环境模拟试验、加速器束流实验及数据分析等工作。

 

　  而摆在他们面前的另一大挑战，就是科研团队对航天工程经验的欠缺。

 

　  该科研团队的主力是中青年教职工和研究生，虽然他们都曾经在北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器等地面加速器工程中积累了很多的经验，但却是生平第一次承担航天工程、而且首次面对的就是极富有挑战的一项任务。在实践中，他们发现从高校的自由探索研究到投身航天工程，实际上有很大的鸿沟需要跨越，也有很多知识需要弥补。

 

　  “虽然中国科学技术大学建校的最初使命就是为我国‘两弹一星’工程输送人才，在人才素质上自然不存在问题，但以本校的教师和研究生作为主力军来直接承担航天任务，却是近几年来才有的趋势。”封常青分析道，这也是得益于我国经济实力和综合国力的增强，当航天技术发展到一定程度之后，除了用于国家安全和民用领域，反过来也急需空间科学的拉动实现新的技术突破。国家增大对空间科学等基础研究的投入，使得在基础研究领域有优势的高校和科研院所，也开始加入原本以工程技术专家为主体的航天队伍。

 

　  由于空间暗物质探测是当今国际实验物理学的热点，美国阿尔法磁谱仪早已开始了科学观测和数据积累，而日本航天局领导的CALET探测谱仪也于今年8月份刚刚发射。

 

　  为了赶超国际同行，早日获得科学发现，暗物质卫星预定的最终发射节点为2015年年底，其进度要求甚至比我国以往的航天工程更加苛刻。

 

　  “暗物质粒子探测作为我国首个大型空间高能宇宙线探测项目，其探测方法把粒子物理与空间科学相结合，采用了诸多新的技术。要在4年内完成方案阶段的关键技术攻关，方案样机、初样鉴定件、正样飞行件的研制，以及多次在欧洲核子研究中心的束流实验，不能不说是一项相当艰巨的任务。”张云龙表示。

 

　  工程立项后，BGO量能器科研团队开始直面挑战，迎难而上。

 

　  针对航天经验不足的问题，这个年轻的团队开始认真查阅文献，弥补航天工程知识和管理经验的不足，同时在卫星工程总体的协调下，向其他航天单位虚心求教。

 

　  针对人员队伍紧缺问题，除了封常青、张云龙之外，团队还组建了一支从低年级硕士生到高年级博士生的科研梯队，从零开始“边学边做，边做边学”。最终，形成了这支同时具备科学知识和工程能力的空间科学队伍。

 

 

　  实际上，BGO量能器项目组包括同一个国家重点实验室下的两个专业领域人才，一个是粒子物理专业，另一个则是物理电子学专业。

 

　  前者属于实验物理学科，更偏重基础研究；后者属于电子科学与技术学科，更偏重工程技术。这两个专业的知识领域刚好构成互补，而两个专业的师生也配合默契，形成了良好的团队氛围。

 

　  “在项目最艰苦的时候，正是这种团结协作的氛围，让大家能够互相鼓励，克服困难。”刘树彬表示，为了载荷主体项目的顺利完成，整个团队都投入了很多心血。

 

　  在初样鉴定件和正样件的工程安装期间，为了保证进度，所有参与的人员，不管是教师还是研究生，往往都要加班到凌晨两三点，“大家虽然很辛苦，但都毫无怨言”，刘树彬说。

 

　  初样鉴定件、正样飞行件的地面环境模拟试验包括多个项目，一个试验项目往往最长要持续半个月以上。试验期间，BGO量能器需要持续加电，必须有多位值班人员各司其职守候在现场，不间断地进行测试，并定期巡视试验设备的工作状态。

 

　  “这是一个很枯燥的任务，尤其是对于夜班人员更是如此。但各位教职工和学生不分昼夜地轮流值班，坚守住了岗位，保证了试验的质量。”刘树彬表示。

 

　  他们清晰地记得，BGO量能器初样鉴定件、正样飞行件的整机装配恰好与春节前夕重合。“在这个意味着亲人团聚的传统节日里，虽然大家都归心似箭，但仍然坚守岗位，并自觉加班加点，最终赶在除夕前一两天完成总装任务，然后紧急赶火车回家过除夕。”

 

　  为了在整机装配完成后尽快开展环境模拟试验，正月初二、初三，团队的各个成员就陆续从全国各地的家中出发赶到试验现场。队友成了共同度过佳节的亲人。

 

　  “封常青老师的老家在湖南，交通不便利，因为路途耗时较长而休假时间又短，已经连续两年春节无法赶回老家看望父母。而且因为工程任务太紧，甚至女儿出生之后没几天，就得赶赴工作岗位，他父母也只能千里迢迢赶来安徽看望儿子和孙女，做短暂的团聚。”团队中的科研骨干高山山博士介绍道。

 

　  而对他们来说，那时的苦也已成为如今回忆中的甜。

 

　  经过了四年的艰苦努力，中国科大项目团队圆满完成了方案阶段的技术攻关研究和初样、正样阶段的研制生产，并于2015年5月11日将正样飞行件交付给总体单位，为暗物质卫星年底升空提供了有力的保障。

 

　  四年风雨历程，这支当年暗物质工程航天队伍中的“新兵”，也在科学精度和工程难度中不断磨练和成长，为我国以后开展类似的空间实验项目，积累了丰富的工程研制和项目管理经验。