簡介
中國科學院電工研究所、中國科學院高能物理研究所和中國運載火箭技術研究院成功地研製出阿爾法磁譜儀最關鍵的永磁體系統，包括用高性能釹鐵硼材料製成的永磁體和支撐整個磁譜儀的主結構。獨特的魔環設計滿足了空間實驗對漏磁和磁二極矩的嚴格要求。永磁體總重量約為2t，接收度為0.6m2·sr，磁偏轉能力BL2為0.135T·m2，並在40℃以下不出現退磁。主結構採用雙層薄殼系統，能經受永磁體強大的磁力和扭矩，以及起飛、著陸時的巨大載荷。永磁體系統通過了嚴格的空間環境模擬試驗，滿足了阿爾法磁譜儀的要求，並達到了美國宇航局嚴格的安全可靠標準。
中國永磁體“要分辨物質與反物質，就得想辦法測量粒子帶正電還是負電。這就需要把一個巨大的磁鐵送到太空中去。如果使用常規磁鐵，到處瀰漫磁場根本無法在太空中運行。”中科院高能物理研究所所長、中科院院士陳和生陳和生說。
1998年6月，“阿爾法磁譜儀1(AMS–01)”搭載美國“發現號”太空梭首次進入太空，成為人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。當時，陳和生在佛羅里達州甘迺迪航天中心親歷了那次為期10天的實驗。
“這10天裡，中國永磁體經受住了考驗，工作正常。時隔13年後的今天，它再次‘披甲上陣’，到國際空間站做長期實驗，幫助AMS–02‘捕捉’神秘的反物質和暗物質。”談起AMS–02最核心部件——中國造永磁體，陳和生無比自豪。
丁肇中曾多次坦言，磁譜儀項目是他40多年科研生涯中遇到的“難度最大”的實驗，甚至比當初為他贏得諾獎的J粒子實驗還要“困難得多”。
“最大的挑戰就是要將大型磁鐵放入太空。”丁肇中說。美國國家航空航天局(NASA)對磁鐵的負載安全要求極高。一是要降低漏磁，避免干擾太空梭和空間站其他儀器的工作。二是磁二極矩必須極小，以免磁譜儀在地球磁場作用下產生轉動。
按照慣例，NASA對搭載大型設備需做三次安全評估，而中國製造的釹鐵硼磁鐵只做了兩次就順利“闖關”。業內人士說，這在NASA檢驗史上還是第一次。
神奇
陳和生院士介紹，如果想確定另外一個星球是物質還是反物質，需要測量粒子是帶正電還是負電。科學家們想到一個辦法——把一個巨大磁鐵送到太空中去。然而，困難重重。常規磁鐵，因到處瀰漫磁場無法在太空中運行。
1998年6月，陳和生在美國詹森航天中心值班。中國在稀土永磁材料研究方面處於世界先進水平。中科院電工研究所用釹鐵硼製造磁鐵設計巧妙，不漏磁且在地球磁場作用下不會發生轉動，符合太空運行條件。
AMS-01沒有發現反物質和暗物質，但在10天的太空試驗里，中國永磁體經受住了考驗，工作正常。此後，科學家開始研製AMS–02，曾嘗試用超導磁體代替永磁體。儘管這種方法可以產生更強的磁場，但超導磁體需要液氦冷卻，太空中無法補充液氦，這樣磁譜儀壽命只有3年。而使用永磁體的磁譜儀的使用壽命長達18年至20年，所以專家們決定沿用永磁體。
此外，AMS-02在AMS-01的基礎上增加了若干新的子探測器。其中，中科院高能物理研究所與中國航天科技集團公司的科學家和義大利、法國科學家共同研製出作為探測器關鍵部分的電磁量能器。
“中科院電工研究所、高能所和中國運載火箭技術研究院的科學家們通力合作，選擇新型高磁能積釹鐵硼材料，採用獨特的‘魔環’結構磁路設計，64個磁化方向連續變化的永磁條安裝其中。這種結構使永磁體磁場約束在AMS磁體內部，漏磁和磁二極矩比NASA的要求小了一個數量級。”陳和生說。
AMS–02曾進行模擬空間測試。科學家根據測試結果決定，沿用曾服役AMS–01的中國永磁體，它可以使磁譜儀使用壽命長達18到20年。
AMS－02在AMS－01的基礎上增加了若干新的子探測器。其中，中科院高能物理研究所與中國航天科技集團公司的專家和義大利、法國同行共同研製出作為探測器關鍵部分的電磁量能器。
“電磁量能器能精確測量光子和電子的能量，並排除宇宙線質子的本底，對探測的暗物質粒子十分關鍵。”陳和生說。
分析
太空粒子探測器“阿爾法磁譜儀2”(AMS-02)2011年5月16日搭載美國“奮進號”太空梭發射升空，19日安裝到國際空間，開始了長期尋找反物質組成的宇宙、探尋暗物質的征程。
“阿爾法磁譜儀”實驗上世紀90年代啟動，是一項大型國際合作科學項目。它由諾貝爾物理學獎得主、華裔美國科學家丁肇中教授領導，美、中、法等16個國家和地區的數百名研究人員參與其中。陳和生是這個團隊首批科學家。
“根據接收到的數據，我們檢查了AMS-02的所有部件和單元，它們全部工作正常，運行狀況好於預期。”陳和生說。
AMS-02的數據正源源不斷地由中繼衛星從太空站下載到新墨西哥州白沙基地，隨即傳輸到歐洲核子研究中心。作為參與單位，中科院高能所可以分享這些數據。
“分析數據是今後研究中的最大挑戰，我們一定要對自己的科學理念有充分信心。”丁肇中表示。未來這項實驗的重大發現，將在經過整個團隊的嚴格驗證後，統一對外發布。
參加數據分析的高能所陳國明研究員說，截至目前，高能所已經獲取了上億個宇宙線的事例。中國科學家利用這些數據對AMS-02的重要部件電磁量能器進行了刻度，以便準確測量電子和γ的能量。
電子和γ是尋找暗物質的關鍵探針。安裝於AMS-02上的電磁量能器由高能所和中國運載火箭技術研究院與法國、義大利專家聯合研製而成。
此外，中國科學家對這些宇宙線事例進行了鑑別，利用磁譜儀測的動量給出了質子、氦、鋰、鈹、硼和電子的初步能譜。
AMS-02有強大的接收度，很高的粒子識別能力和能量測量水平。探測到的宇宙線事例中，不乏高於1Tev(10萬億電子伏特)的電子。電子能量越高，流強越小，捕捉難度越大。”陳和生說。
陳和生表示，高能所計畫進一步爭取中科院和國家自然基金委的支持，增強對AMS-02物理分析的團隊能力建設。
2011年6月1日返回地面後，美國“奮進號”太空梭將永久退役，其最終歸宿為洛杉磯的加利福尼亞科學中心。鑒於成本過高，美國已決定終止運行了30多年的太空梭項目。
