玩转科技活动周 | 空间物理开放实验室介绍

科技活动周快到了！想知道空间物理方向有哪些实验室开放吗？实验室里又有什么亮点？快随石头工作室一起来看！

本次科技活动周，地球和空间科学学院空间物理方向将开放三个实验室供感兴趣的学生和市民参观。

时间：5月19、20号的9:00~17:00

地址：中国科大东校区北门教学行政楼

空间有效载荷实验室，教学行政楼（即地空楼）819

激光雷达实验室，教学行政楼1603

空间等离子体实验室，教学行政楼302

空间有效载荷实验室

随着我国的综合国力增强，太空探测渐渐成为人们茶余饭后的话题。从2003年神舟五号成功实现载人航天，到2016年天宫二号实验室成功发射入轨。我国的航天事业在这十几年中经历了嫦娥一二三号的登月、天宫一号空间站的发射、神舟十号在轨授课等重大事件，反映了我国航天事业在这十几年中有了长足的发展。而在未来，我国还将在2020年发射火星探测器，计划一次性实现环绕和火星车着陆。

我们可能会认为这些国家的重大科学项目距离我们很远，是我们这些普通人接触不到的。然而事实上，就在最近的火星探测计划中，我们地空学院的空间有效载荷实验室就承担了这次火星探测计划的一又四分之一个载荷，包括了磁通门磁强计和粒子探测器。

有人可能看到这里就开始懵了😵，什么是“有效空间载荷”？其实很简单，“有效空间载荷”大致就是卫星上面的科学仪器的意思。之所要这么称呼卫星上面的科学仪器，是因为卫星上除了“有效载荷”外，还存在“平台”。所谓“平台”，指的就是支撑这些有效载荷运行的供能装置等必要设备，就如相机和相机电池的关系。正所谓巧妇难为无米之炊，没有卫星上面的“平台”，“有效载荷”就无法运行。

通过参观八楼的空间有效载荷实验室可以让我们近距离接触我国重大科学项目的最新进展，感受我国空间探测的最前沿。

实验室介绍

本实验室主要致力于研制高探测效率、低功耗、轻小型的空间低能粒子探测和空间磁场探测有效载荷。

空间环境中充满了等离子体，其中绝大部份是能量低于30Kev的背景态的低能粒子（电子、离子和中性粒子），而低能带电粒子受磁场作用、被磁场约束，所以空间中的低能粒子和磁场是空间等离子体探测中最基本的探测对象之一。低能粒子和磁场的探测数据不仅可用于研究空间等离子体中的物理过程，为空间环境中的灾害性天气事件提供警报，也有助于理解航天器表面的充放电过程，为航天活动提供基本的技术保障👍。

亮点介绍

第一列是实验室的大型真空管，用于检测空间载荷的性能。

第二列是实验室研制出来的载荷，如下图是高轨低能粒子探测器的样品。

激光雷达实验室

精确的大气风场探测，对于数值天气预报、气候模型改进、军事环境预报、生化气体监控、机场风切变预警等具有

重大意义。多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法，也是世界气象组织列出的最具挑战性的激

光雷达之一😱。

实验室介绍

利用存在于地球大气层70~120km高度范围的金属钠原子，由钠原子的超精细光谱随温度和风速的变化关系我们可以测得高空的温度和风速。利用这个原理，我校地空学院的李陶教授课题组于2011年11月研制成功了我国首台通过专家鉴定的钠测温测风激光雷达👍。

该激光雷达分时序列发射钠荧光D2a谱线处的三个频率（vD2a，vD2a+630MHz，vD2a-630MHz）激光到大气中，接收机接收激光与钠原子相互作用产生的共振荧光后向散射光回波信号，实现对80-105km高度的大气温度、风速和钠密度的高时空分辨率测量。利用探测的温度、风场和钠原子密度数据，可用来研究中高层大气重力波、潮汐波、行星波的特性及其相互作用等大气动力学内容，有助于我们进一步理解中高层大气，以及太阳活动周期对中高层大气的影响。

激光雷达的工作图：

激光雷达内部接收望远镜：

同时发射两束激光：

空间等离子体实验室

太阳风、磁层、电离层中充满了各种类型的等离子体波动和不稳定性，这些等离子体波动的激发和传播对日地空间能量输运和粒子加热加速具有重要影响，因此等离子体波动是空间物理研究的一项重要内容👌。传统的空间等离子体的研究方法是利用发射卫星或者探空火箭来获得空间等离子体的物理参数。限制于空间仪器耗费巨大、重复性差，对许多微观物理过程尚缺乏精确研究。利用实验室等离子体模拟空间物理过程是一种新发展的方法。利用实验室等离子体易于重复、诊断精确、耗费较小的特点，能够独辟蹊径的解决一些空间物理的中小尺度的物理问题😲。[1]

中国科学技术大学地球与空间科学学院雷久侯教授课题组建设的科大空间等离子体实验（Keda Space Plasma Experiment）装置就是致力于实验室研究空间等离子体的装置之一，实验装置如下图。

名词解释

1.等离子体：等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。

2.高轨低能粒子：在高轨道的低能量的粒子。

3.多普勒测风激光雷达：利用多普勒效应测量风速的激光雷达。

参考资料：

 [1]http://blog.sciencenet.cn/blog4348831095800.html

作者：黄泽森    美编：刘嘉欣
来源：石头科普工作室

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