暗物質探測衛星“悟空”核心BGO晶體長600mm 創世界紀錄

中新網上海12月18日電 (記者徐銀)中國首顆暗物質粒子探測衛星“悟空”17日上午成功發射升空。中國科學院上海硅酸鹽研究所18日在上海舉行的BGO晶體與石墨烯材料科研成果發布會上表示，該所科研人員為衛星“悟空”的研制提供了初樣和正樣共計640根600mm長的鍺酸鉍(Bi4Ge3O12，以下簡稱BGO)晶體，為中國暗物質粒子探測衛星有效載荷的成功研制及其發射提供了重要保障。

據介紹，暗物質粒子探測衛星“悟空”主要的科學儀器在重量、功耗還是電子學線路的復雜度、工程實現難度方面都超越以往，而很多技術只有中國才有。探測器最核心的組成部分是BGO量能器，它既能測量粒子能量，又能區分粒子種類。盡管BGO晶體在核醫學、粒子物理、核物理、天體物理和石油測井等輻射探測領域已有廣泛應用，不過此前國際上已報道最長的BGO晶體僅為400mm長，因而600mm長的BGO晶體的成功研制及運用也創造了生長BGO晶體長度的世界新紀錄。

中國科學院上海硅酸鹽研究所中試生產一線(BGO研究組)助理研究員陳俊鋒說，更長尺寸BGO晶體的生長是對晶體制備科學和技術的全新挑戰，許多業內專家甚至認為這是不可能完成的任務，“晶體生長的尺寸越大，其技術難度是按指數地增強而非按線性，比方說尺寸增加1倍，那難度可能增加4到6倍一個量級，技術難度方面極富挑戰性，我們經過設備方面的一個探索才能夠制配出現在一個尺寸的晶體”，陳俊鋒說，這在物理學領域來說是一種具有絕對突破性進展和貢獻。

談及BGO晶體在衛星“悟空”中的作用，陳俊鋒也打了一個巧妙的比喻，“我們大家知道我們這次暗物質探測衛星的名字叫‘悟空’，我們都知道悟空有火眼金睛，如果把BGO量能器比作衛星‘悟空’探測暗物質的‘火眼金睛’，那么600mm長的BGO晶體則是‘悟空’探測暗物質的‘視網膜’”，陳俊鋒說，晶體起到的就是間接探測暗物質的作用，從而使我們能夠抓到暗物質的蹤影。

據悉，暗物質粒子探測衛星“悟空”是國際上已知觀測能段范圍最寬和能量分辨率最優的空間探測器，也是中國歷史上首顆大型空間探測裝置，其最核心的載荷是由14層，每層22根，共計308根尺寸為25×25×600mm3的BGO晶體和光電倍增管構成的BGO量能器，每根600mm長BGO晶體的兩端各耦合1只光電倍增管形成1個探測單元，308個探測單元以相鄰兩層、正交排列方式形成輻射長度達32X0的立體探測矩陣。該衛星有效載荷重約1400Kg，其中BGO晶體重達824Kg，晶體與有效載荷重量比例約59%，可謂“BGO晶體衛星”。BGO晶體是與可能的暗物質粒子湮滅產物(主要為高能電子和伽馬射線)作用的直接媒介。

在中科院空間科技先導等項目的支持下，從2011年6月起，上海硅酸鹽所王紹華帶領的中試生產一線(BGO研究組)科研人員在國際上率先開展了600mm長BGO晶體的制備科學與技術研究。在歷時兩年左右的持續研究與不斷嘗試中，科研人員逐步解決了原料處理、生長設備、生長工藝、加工工藝以及性能表征等一系列關鍵技術與科學問題，先后實現了600mm長晶體的成功制備與量產，使上海硅酸鹽所成為世界上能研制并量產該長度BGO晶體的唯一供應商，并保持著生長BGO晶體長度的世界紀錄。(完)