這是最厲害的相機，美國帕克太陽探測器是怎樣在太陽裡面拍照的？

看到大家對世界頂級科學這麼感興趣，我真的太開心了，是的，人類科學正在不斷髮展，我們必須要擁有足夠多的創新才能征服太空，創新這兩個字對科學來說實在是太重要了。三年前我寫過美國宇航局帕克太陽探測器的一篇文章，當時它剛剛被髮射，現在帕克已經飛越了10次太陽，還進入到了太陽內部。那麼問題來了，太陽這麼亮，還這麼大，裡面還有超高速運動的太陽風粒子，這麼小的人類探測器怎麼拍照？這確實是個問題，不過美國宇航局的帕克不僅進入了太陽內部，還成功拍攝了太陽風超高速粒子。

這實在太不可思議了，所以今天我們就從帕克的相機看起，看看帕克的相機系統有多麼發達。

首先帕克太陽探測器的相機系統統稱為WISPR，高速塵埃對WISPR光學元件影響是非常大的，太空中的高速粒子或者星際塵埃的速度非常高快，因此美國宇航局在WISPR設計中必須考慮塵埃粒子的動能分佈及其通量。科學家們之前不知道太陽內部的粒子和灰塵都是多大，但是透過帕克的資料，科學家們確定大多數粒子的直徑將小於10m。這個數字怎麼得來的呢？ 我科普知識向來講究有理有據，刨根問底，我不能說只說個10m就完事了，接下來我們來看看美國宇航局是怎麼算出來這個數字的。

美國宇航局APL科學家在這10次飛越太陽的任務期間，隔熱板處10m粒子的撞擊約為100次，0.1m粒子的撞擊約為1000次，這是透過差值算出來的。帕克的遮陽板不是說只能遮陽，上面的陶（下面還有一種材料，這種材料是重點，我不知道是什麼，但是這個材料肯定有，而且非常關鍵）塗層可以透過某種撞擊觸饋機制確定灰塵和遮陽板的撞擊次數。

一方面，美國宇航局科學家們會根據灰塵衝擊遮陽板計算太陽內的灰塵和粒子的大小，另一方面，科學家們還必須小心應對灰塵不斷衝擊遮陽板的危險。首先，灰塵不斷衝擊遮陽板會損壞結構邊緣，從而增加雜散光數值，這樣的話WISPR的影象可能會失真。第二，這些灰塵會損壞前透鏡表面，並透過點蝕玻璃表面導致雜散光增加。較大的粒子會破壞WISPR透鏡，不過災難性撞擊的機率非常小。

之前科學家們對這種超高速撞擊光學系統瞭解的很少，因為以前從未遇到過這種環境。為了瞭解灰塵對儀器效能的影響，美國宇航局WISPR團隊在設計階段制定了玻璃測試和建模計劃，科學家們在地球上沒有能夠將粒子加速到180千米每秒速度的塵埃加速器，但美國的塵埃加速器的極限水平可以讓灰塵達到140千米每秒的速度。

該設施於早在2012年10月用於測試三種不同的WISPR光學候選玻璃材料，包含七種，我知道的三個分別是BK7，金剛石塗層和藍寶石，這三種材料中還有合金顆粒，不是純材料，實驗透過，鏡頭玻璃的問題總算是解決了，其他材料不知道，但是都有合金顆粒這是肯定的。WISPR具有95°徑向和58°橫向視野，可以成像日冕的精細日冕結構，並確定太陽附近是否存在無塵區。WISPR的兩個廣域望遠鏡是全球最小的日冕層成像儀器，它們的相關焦平面陣列的有效設計非常優秀，兩個廣域望遠鏡還攜帶了APS CMOS探測器。

這樣的搭配可以幫助WISPR在太陽內部以微秒的頻率收集單張影象，或將其中的幾個影象相加，這樣的話在帕克衝出日冕層的時候，WISPR的兩個成像儀可以最大限度地降低灰塵損壞的風險，科學家們研究了湯姆遜散射對成像幾何結構的依賴性資料，結果表明，WISPR對帕克附近等離子體的移動非常非常敏感。 說了說WISPR儀器的突出特點之後，我們就該具體聊聊美國宇航局是如何設計個製造這個藝術品的了。

我不得不說，當我第一次看到美國宇航局設計這個儀器的時候，我都被驚呆了，這個設計簡直是無與倫比……首先美國宇航局採用了SECHHI的小型化設計概念，全球首創，比幾十年前的遠距離太陽探測器（不進入太陽內部）要先進的多，順帶說一句，幾十年前SoloHI的設計，現在也沒人做得出來，歐洲前兩年的太陽軌道探測器也要略微差一點。 剛才我說WISPR是一個雙望遠鏡系統，兩個望遠鏡系統是防止帕克兩個兩米長的場陣列天線進入WISPR視野。

WISPR還可以使用遮陽板作為第一個遮光器，因此遮陽板和WISPR系統第一個遮光器擋板F1之間的對稱結構是成功控制雜散光的關鍵因素。為了更好的節省內部空間，讓帕克太陽探測器更小，更快的飛越太陽，美國宇航局還專門為遮陽板還有WISPR設定了一個掩蔽器，這三個結構可以進一步減少遮陽板的衍射。

換句話說，遮陽板雖然幫助帕克隔絕熱量，但是它的存在對WISPR相機系統來說是個災難，不過美國宇航局不僅將劣勢轉化成優勢，還將WISPR和遮陽板結合起來，還可以幫助WISPR減少雜散光。 複雜的遮陽板設計可以幫助WISPR進行高信噪比成像，WISPR探測器為2048 x 1920格式的APS有源畫素感測器CMOS器件。與常見的CCD裝置相比，APS CMOS裝置不易受到輻射影響，因此是該任務的最佳選擇，另外它們在功率和質量方面也小得多。

其實文章寫到這裡還沒有說完，不過內容實在太多太複雜了，今天就先說到這裡吧。美國宇航局的每一個探測器都有特別特別詳細的具體介紹，裡面的每一個結構，每一個鏡片，就差和你說每一根電線是怎麼來的了。

這篇文章是怎麼來的呢？美國宇航局的原版文章太硬核，全部是專業術語和長得不行的資料，還有根本搞不懂的資料，順序也很亂。我會把他們背下來，然後總結一下，某些地方用通俗易懂的和大家解釋一下，文章就來啦。我要是直接翻譯寫上來，大家肯定是看不懂……

因為是專業文章，我就不多配圖啦。