40多年后,人类再次戴上软X射线偏振“眼镜”看到宇宙奥秘

2020-05-12 15:28:09 来源: 科技日报 作者: 金凤

“偏振”和波长都是电磁波的基本属性之一。3D眼镜,运用的便是偏振原理。

在天文领域,X射线偏振是具有重要科学价值的独特的天体物理探针,是研究黑洞、中子星等高能天体的重要工具。

1968年,美国科学家率先开展了天文X射线偏振探测,于1971年在一次探空火箭实验中见到了成功的希望,并在1975年发射的OSO-8卫星上完成了第一次精确测量,这次测量发现了蟹状星云的X射线辐射具有高度线偏振,起源于同步辐射。

然而,由于上一代技术的局限性,其探测效率和灵敏度低下,天文X射线偏振探测在这次实验之后便陷入了停滞。

2009年,清华大学冯骅教授带领团队开始对X射线偏振探测技术进行探索和改进,在国际合作的基础上历经多年技术积累,在实验室里研制出了高灵敏度低系统误差的软X射线偏振仪。2018年10月29日,清华大学主导的空间天文项目“极光计划”发射升空。同年12月18日,“极光计划”的探测器投入运行,成功探测到了空间软X射线。

一年半之后,《自然·天文》杂志于2020年5月11日封面刊登的一篇文章,将冯骅课题组与合作者共同完成的最新成果昭告世人:经过近1年的观测,X射线偏振探测器探测到来自蟹状星云及脉冲星的软X射线偏振信号,并首次发现了脉冲星自转突变和恢复过程中软X射线偏振信号的变化,说明在此过程中脉冲星磁场发生了变化。

这一探测结果也标志着,由于技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。

传统技术瓶颈困扰40多年

X射线是电磁波的一种。“根据能量高低的不同,几千电子伏特的X射线称为软X射线。我们希望在软X射线波段看宇宙的奥秘,偏振是一个新的探测维度。”清华大学天文系教授冯骅解释,黑洞、中子星这类非常极端的天体,虽然光学辐射很弱,却是很强烈的X射线辐射体。由于X射线波长非常短,不存在像可见光偏振片那样合适的滤镜,所以X射线偏振的测量极其困难。但利用X射线偏振测量,能够获得高能辐射区域磁场方位、天体的几何对称性,从而进一步理解与黑洞、中子星等密切相关的天文现象的物理过程发生机制,对高能天体物理而言意义重大。

早在1968年,美国科学家就率先开展了天文X射线偏振探测,并在1971年发射的探空火箭上完成了247秒的曝光,第一次发现蟹状星云的X射线辐射可能具有高度线偏振,并在1975年上天的OSO-8卫星上完成了首次精确测量。

然而,40多年过去了,科学家们不断论证X射线偏振的用处,预言探测偏振对天体物理的科学价值,却再也没有第二个X射线偏振探测设备在空间运行。探测灵敏度不足,被认为是X射线偏振技术的主要瓶颈之一。

技术转机出现在2001年。随着核探测技术的发展,意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度软X射线偏振测量。

2009年,清华大学教授冯骅带领团队,在国际合作的基础上,对软X射线偏振探测技术进行探索和改进。

探测器寿命从30分钟提高到5-10年

冯骅介绍,在实验室研究阶段,团队的目标是“做出能够满足空间应用需求的长寿命、高性能”的探测器。这种新型X射线偏振探测器,外形像一个火柴盒,传感器面积大概相当于一枚硬币。“X射线通过铍窗进入探测器,与探测气体发生光电效应产生光电子。通过测量光电子穿过气体留下的二维径迹,就能推断出入射X射线的偏振信息。”冯骅说。

然而,单是将探测气体密封在“火柴盒”内,实现长期稳定的工作性能,就花了团队整整两年时间。

实验初期做出的探测器,总是在短时间内就被烧坏——核心部件气体电子倍增器因高压放电被击穿。在着急忐忑却找不到性能下降的原因时,冯骅曾经告诉团队,做实验的时候不要害怕“搞破坏”,“弄坏东西并找到原因说明你的尝试有效果。”

通过反复的测试研究,气体纯度这一“罪魁祸首”被发现。冯骅说,由于探测器是一个密闭环境,当纯净的探测气体充入后,探测器结构材料表面吸附的杂质气体会慢慢释放,使得探测气体纯度下降,从而引起性能衰减,严重时就会“烧毁”探测器。

掌握“闭气型气体探测器的封装技术”,需要多学科合作。为解决超高真空技术,团队请教过中国计量科学研究院和校内凝聚态物理方面的专家;结构材料方面的问题,团队参考航空航天材料标准,经过再三测试对比,筛选出满足结构强度的、极低出气率的材料;探测器封装环境方面有差距,团队则搭建超净室、烘烤除气,想方设法降低杂质成分;还找到专属研究院进行气体提纯,将气体纯度从市面上常见的99.9%提高至99.999%……

至此,团队迈出重要一步:成品探测器实现了长寿命的要求,从最初只有约30分钟的工作寿命,到封好之后5-10年性能都不会改变。

2017年,团队高灵敏度、低系统误差的X射线偏振探测器在实验室研制成功,并且通过了一系列空间环境模拟试验的检验。

探测近一年,捕捉到脉冲星信号

冯骅团队的探测器研制成功的同一年,商业航天在中国兴起,这为新探测技术和方法的飞行验证提供了更多可能性,由清华大学牵头研制的空间实验于这一年“极光计划”应运而生。

2018年10月29日,“极光计划”的微纳卫星搭载“铜川一号”立方星,从酒泉卫星发射中心成功发射到近地轨道上。11月6日,探测器加电自检成功。经过多轮调试,12月18日开启高压投入运行,工作状态正常。

2019年3月,探测器进入常规观测,盯准了蟹状星云脉冲星。似“时钟”般运转精确的脉冲星常会在某一个时间点发生一次自转周期突变,然后慢慢恢复,这种自转突变是一种有待研究的天文现象。7月23日,蟹状星云脉冲星的自转突变。“极光计划”随之捕捉到X射线偏振状态的改变。

“我们观测到,经过几十天,脉冲星的偏振信号又慢慢恢复,这一新的发现有助于理解脉冲星、也就是中子星的内部结构。”团队研究成员李红表示,他们将该成果提交给《自然·天文》杂志后,审稿人评价其为“高能天体物理领域期待已久的成果”。

但不为外界所知的是,数据的处理和解释,曾让团队颇费了一番功夫。

“在偏振计算之外,我们还需折叠出蟹状星云的脉冲相位。蟹状星云的脉冲约为33毫秒一个周期,为了提高信噪比,我们需要把所有观测数据按脉冲周期叠加后得出结论。”研究成员龙翔云介绍。经过4周程序设计,团队终于完成时间矫正。

“观测中的惊喜,来源于我们的步步积累。”龙翔云说,蟹状星云脉冲星之外,探测器对人类发现的第一个宇宙X射线源“天蝎座X-1”也有一些数据积累,并将纳入下一步工作计划。

冯骅团队研发的软X射线偏振探测器,清华大学供图(图一)

冯骅团队研发的软X射线偏振探测器,清华大学供图(图二)

冯骅与博士后李红进行数据分析讨论,清华大学供图(图三)

其它行业「2020 中国(湖南)应急与消防安全技术装备博览会暨应急消防创新论坛」,将于2020年7月24日在长沙举行,主要内容有消防等,一、博览会概况 博览会名称:2020 中国(湖南)应急与消防安全技术装备博览会暨

应急消防创新论坛(简称应急展)

博览会主题:智慧应急-创新消防-安全发展

博览会时间:2020 年 7 月 24 日-26 日

布展时间:2020 年 7 月 22 日- 23 日 08:30-17:00

展出时间:2020 年 7 月 24 日- 26 日 09:00-17:00

撤展时间:2020 年 7 月 26 日 14:30-24:00

举办地点:长沙国际会展中心( 地铁 2 号 4 号线光达站直达)

展会周期:一年一届

展会级别:省级

展览面积:30000 ㎡

二、组织架构

指导单位:

中国安全产业协会

主办单位:湖南省应急管理厅(拟)

湖南省应急管理厅

湖南省消防救援总队

中国安全产业协会消防技术创新专业委员会

协办单位:

湖南省应急管理协会

湖南省消防协会

湖南省劳动保护用品经营协会

支持单位:

长沙市会展工作管理办公室

长沙市应急管理局

长沙市消防救援支队

长沙市工业和信息化局

三一重工股份有限公司

中联重科股份有限公司

承办单位:

湖南合佳创会展服务有限公司

湖南日报全媒体发展有限公司

三、展会介绍

为认真贯彻落实国家应急管理部关于安全生产整治的各项要求,坚持“标本兼治、综合治理、预防为主”原则,不断深化企业专项整治,解决行业发展及监管过程中碰到的新问题,制定切实有效的行业监管标准。湖南省应急管理厅、市应急管理局为解决安全生产行业发展过程中碰到的新问题,制定了一批切实有效的行业监管标准,抓紧抓实年度安全生产重点工作,开展安全生产巡查工作方案,推进事故的预防、应急、指挥、救援等安全生产领域,打造平安湖南,安全湖南。

本次展览会展出规模 27000 平米。展会与论坛同时召开,用户单位齐聚,共议安全生产,是进行形象宣传、拓展市场的最好时机,将使参与展会的远方业界朋友与友人,取得良好的社会品牌效益和经济效益。

上届回顾:2019 年湖南(长沙)应急安全技术装备博览会暨应急安全创新论坛,在长沙市人民政府的指导下,由市应急管理局、消防救援支队、工业和信息化局主办取得良好效果,展会展示规模13500平米,218 家企业参展,累计超过 6 万人次观众观展,其中专业观众超过 4 万人次,展会意向成交金额超过 2 亿,作为湖南应急装备大阅兵的集中展示,同时通过各类媒体渠道报道影响,是一次非常有效的应急安全教育社会传播和普及,提升了长沙市本质社会安全。

2020年,组委会进一步强化专业观众组织和展商采购商的商业对接,从长沙市向湖南十三个地州市全面覆盖,并邀请邻省应急领域专业观众,政府及行业代表参加,优化展会服务质量,打造中部地区最专业和权威的行业盛会!

四、展示内容

1、工业安全与防护用品:

高风险环境下的工业安全产品、防护用品、

防护手套、安全帽、安全绳锁、资源循环与再生技术与设备、节能技术与设备;呼吸防护装备、应急救援设备、警示设备、照明设备、热成像仪、搜救设备、救生器材、救援音视频监控系统、生命探测仪、救援机器人、安全防护装备、个体防护装备、职业服装及材料、安全保护设施、 安全生产防护材料等。

2、粉尘防爆产品:

通风除尘设备、防爆电气设备、防爆型除尘技术

与设备、爆炸防护技术与装备、火花探测与消除设备、静电防护设备,粉尘浓度检测设备、安全生产预警系统、安全检测仪器与设备、事故监测技术与装备、安全技术与装备、防爆叉车、防爆电机、防爆配电

装置等;

3、消防安全技术与装备:

智慧消防一体化解决方案,设备云管理,智慧消防物联网,火灾报警设备、火灾探测报警器、控制器、漏电火灾报警、应急、消防电源、灭火器、消火栓系统、破拆工具、消防水带、消防警示标志,防火门、防火卷帘等防火产品;

4、应急指挥和救援装备:

可视化应急指挥平台、远程指挥系统、检测监控技术与装备、安全逃生、避险系统、应急、指挥、救援等设备、矿山机械及搜救设备设施,医疗救援装备和设备、警用车、两栖车、冲锋舟、皮划艇、直升机等;

5、安保及警用装备:

报警系统视频监控设备,报警系统出入口控制设备及联动设备;智能楼宇对讲(可视)系统;液晶拼接大屏显示系统,多媒体视频处理技术、多媒体网络应用技术等;门禁、一卡通、停车场管理系统;巡更巡检系统、防盗门、防弹复合玻璃; 警用装备器材、警用车辆、武装运钞车、刑侦器材、无线对讲机,等各类安防设备;

6、应急科技及技术服务:

智慧物流、智慧城市技术装备、 GPS 卫星定位系统、VR 技术、智慧通信、安防科技产品、安全生产技术服务机构、信息化系统技术服务机构、职业安全健康管理、保险机构、知识产权服务机构等。

7、智慧用电和道路交通安全:

智慧用电安全整体解决方案、智能电表、智能开关、应急照明等用电设备云管理;智能公共广播,智慧出行、道路天网一体化平台监控与指挥,交通救援车辆、交通指挥处理装备;交通安全设备、智能交通管理技术;交通信息通信系统。

8、应急综合服务展区

银行、保险机构、高校、科研院所、公益救援队伍等

五、展区设置

1、展区划分

W1 馆

粉尘防爆产、应急科技与技术、工业防护与劳保用品、公共安全、智

慧安防

W2 馆

救灾减灾技术与装备区、消防安全技术与装备、应急救援装备

2、展区分布

博览会大会规划及日程

1、关于大会

应急产业要健康快速发展,必须加强基础研究和应用基础研究,实施关键核心技术攻坚,夯实产业安全基础。政府主导、社会参与、全民动员是提升国家防灾减灾救灾能力的重要途径。2020 湖南安博会以加强应急产业成果快速转化为目的,引领应急产业“接轨”智能化,为打造创新引领的智慧应急产业高地夯实基础。

演讲嘉宾:200+,汇聚国内外院士、应急产业专家学者,国际应急学会组织优秀成员代表,全球知名应急企业代表与技术领军者等。

2、大会拟邀请嘉宾

洪 毅:全国人大常委、国家行政学院原副院长,中国应急管理学会会长

龚维斌:国家行政学院应急管理培训中心主任、教授

钱洪伟:中国科协公共安全、应急科普教育首席科学传播专家

谢模乾:中国人民武装警察部队少将,中国消防协会副会长

范维澄:清华大学公共安全研究院院长、中国工程院院士

刘有千:全国商业消防与安全协会会长

陈长坤:中南大学防灾科学与安全技术研究所所长,消防工程系主任

温馨提示:以上为拟邀请嘉宾及演讲议程,以实际出席为准,最终解释权归安博会组委会所有。

展会配套主题活动

1、新闻发布会

2、开幕式

3、2 场主论坛

4、3 场高端会议

5、6 场应急安全分论坛

6、颁奖典礼暨闭幕式

7、国际劳保大牌模特大秀

8、湖南大型应急救援综合演练

9、中小学生应急安全教育社会实践课堂 

十、媒体立体覆盖宣传 人民网、湖南日报、新湖南、星辰在线、湖南卫视、湖南都 市频道、金鹰 955 电台、长沙新闻频道、红网、今日头条、腾讯 新闻、新浪网、《工业安全与环保》、《电气防爆》、《过滤与 分离》、《劳动保护》、中国劳保网、中国环保网、中国粉体网、 北极星环保网、高端装备网、新浪网、网易、环球网、中国除尘 布袋网、中国除尘器网、机械加工网、中国铸造网、中国振动机 械网、好展网、中国展会网、中国安防展览网、中国救援装备网 等。

十一、博览会亮点

1、行业权威领导、顶级专家汇聚

2、知名企业齐聚

3、传统与智能高新技术碰撞

4、产学研深度结合

5、社会参与、全民动员

6、线上小程序为展商提供线上展示、交易、交流服务平台,实现线上博览会与线下博览会无缝对接 7、配套活动丰富新颖,体验升级8、全方位媒体报导

十二、强大专业观众组织保障

1、政府、单位发函组织 通过组织机构各成员单位下发大会及展会的文件通知,湖南省应急管 理厅、各市应急管理局及行业协会通知监管范围内的造纸、建材、印 染、料桶、冶金、有色、机械、轻工、石油、化工、烟花爆竹、市政 工程、建筑、交通、污水处理、仓储、加油站等涉粉、涉爆的生产企 业和有限作业空间企业安全生产负责人观展,参会;

2、组委会定向邀约 ①邀请全国范围内各级安监、监管部门负责人免费参会参观; ②邀请外省市安监监管部门、行业组织、涉粉企业、有限空间场所、 产品代理商、高等院校及科研机构、设计单位及相关单位参展参会;

3、100+专业媒体宣传 电视、报纸、户外、行业媒体、新媒体等,线上线下联动宣传,传播 效果更加有声量

4、新闻发布会、企业招商对接会等活动加持 举办高水平的新闻发布会、应急消防新科技装备企业招商对接会等, 邀请政府官员、业内高层人士、专家学者、技术人员前来参加,媒体 宣传和报导大会及展会的信息,吸引更多的专业观众参会参观、交流、 采购;
,感兴趣点击 https://t.cn/A6h2zQaP。

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