欧盟将在国际空间站部署光纤传感器监测宇宙辐射

3/23/2021，光纤在线讯，撰稿：哈尔滨工业大学 SANOGO DIAKARIDIA & 李天夫 编译   在过去的数十年中，全世界已经在距地36000公里的地球静止轨道上部署了数百枚人造卫星。这些卫星的设计与发射过程中，常通过光纤陀螺仪对其轨道位置和运行状态进行校准和微调，其特征数据也源源不断的传回到地球以供下一步研究所需。近日，太空工程师们发现，随着工作时间变长，这些暴露在宇宙空间中的光纤变暗了。

对此，法国国家太空研究中心（CNES）及其研究伙伴——休伯特·库里安实验室（the Hubert Curien laboratory）和iXblue公司决定利用这一特性去开发一种太空辐射传感器，可以监测质子和中子辐射强度和时间。这将有助于在宇航员脱离空间站环境进行太空行走时为其规避被太阳耀斑和高能粒子射线辐射的风险。

研究人员在地面进行了模拟实验。他们将BK7硼硅酸盐冕玻璃暴露在剂量逐渐增加的电离辐射下，样品的颜色出现了不同程度的变暗，相应的透射率也会发生变化。在待测介质一端注入固定频率的单色连续光，并在另一端进行检测，即可实时解调出介质所受的辐射剂量。


图1 ：暴露在不同剂量辐射下的BK7玻璃出现了不同程度的变暗。图片来源，休伯特·库里安实验室/Timothé Allanche。
图源：https://spacegate.cnes.fr/fr/quezako-deploiement-de-la-fibre-dans-la-station-spatiale-internationale

验证其可行性后，CNES开启了下一步对于太空的探索。2021年，法国宇航员托马斯·佩斯奎特（Thomas Pesquet）将带着测试样品，乘坐Cygnus号补给船，从美国发射前往国际空间站。他是第十位进入太空的法国宇航员，并曾在2016年11月至2017年6月在国际空间站度过了196天，有丰富的太空生活及科研任务的执行经验。和他一起出发的还有体量庞杂“ALPHA”任务。在未来的六个月中，他将在低重力空间中进行十余项新实验，所产生的实验数据将惠及百余个欧美科学任务。其中，代号为“Lumina”的实验内容便是在空间站中布设光纤进行宇宙射线监测。


图2： 执行Lumina实验的宇航员托马斯·佩斯奎特（Thomas Pesquet）。图片来源，ESA / NASA-乔什·瓦尔卡塞尔（Josh Valcarcel）
图源：https://spacegate.cnes.fr/fr/quezako-deploiement-de-la-fibre-dans-la-station-spatiale-internationale

托马斯将会收到一个27cm见方的方盒，盒内装有两根长度分别为2km和7km的光纤。在进入空间站后，托马斯会将其充分缠绕，并接入到空间站的能源网络中。以每秒1次的频率监测光纤一端的输出光强，从而实时解调受到的宇宙辐射剂量。


图3 Lumina实验的负责人弗洛伦斯·克莱门特（Florence Clément）在展示传感器。图片来源，CNES，PRADA Thierry。
图源：https://spacegate.cnes.fr/fr/quezako-deploiement-de-la-fibre-dans-la-station-spatiale-internationale

值得注意的是，光纤的材料与掺杂、长度与使用光源的波长都将极大的影响传感器的灵敏度。另外，该传感器目前还无法进行重复利用，高灵敏度的传感器虽然能分辨极低剂量的宇宙辐射，但也将变黑失去效用。Lumina实验的负责人弗洛伦斯·克莱门特（Florence Clément）对此解释道：“需要探索平衡的参数，以应对诸多不同的实用场景。”

另外，虽然同样是在宇宙空间中，因为地球磁场和金属材质的保护，空间站内的辐射仍是一个较低的量级。根据长征四号最新传回的实验数据，月球表面的辐射强度是地球上的二百余倍，除此之外，还有不期而至的太阳耀斑和随时出没的高能粒子射线，这使得月球表面的环境比人们预想的还要恶劣的多。CNES指出，通过在宇航服手臂附近设置光纤贴片，预计将可以提前一小时左右预告高能宇宙射线，从而让宇航员能提前寻求庇护。这将为未来太空行走和月球及火星的表面探索提供强有力的安全保障。

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