上硅所研制的BGO晶体为“悟空”号取得首批重大科学成果发挥关键作用

钢铁侠 7年前 (2017-11-30) 3516浏览

日前，中国科学院在北京举行新闻发布会，宣布中科院空间科学战略性先导专项的首发星——“悟空”号暗物质粒子探测卫星（DAMPE）取得首批重大科学成果，该成果于北京时间2017年11月30日凌晨在Nature杂志在线发表（https://www.nature.com/articles/doi:10.1038/nature24475）。

DAMPE卫星于2015年12月17日发射成功，迄今已在轨运行530天，共采集了约28亿颗高能宇宙射线，包含约150万例25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据，DAMPE科学团队成功获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果。DAMPE首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折，反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定能量低于1TeV的部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。此外，“悟空”的数据初步显示，能谱在~1.4 TeV处存在精细结构。目前“悟空”运行状态良好，正持续收集数据，一旦该精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

中国科学院上海硅酸盐研究所王绍华研究员带领的BGO晶体研究团队为该卫星项目的研制提供了650根600mm长的锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）闪烁晶体，为我国DAMPE卫星有效载荷的成功研制、如期发射和取得首批成果提供了最关键探测材料保障。在DAMPE卫星中，600mm长BGO晶体是最核心的探测材料，308根BGO晶体是卫星的结构中心、质量中心和功能实现的核心，与暗物质粒子可能湮灭产物（主要为高能电子和伽马射线）作用的直接媒介。该卫星有效载荷重约1400Kg，其中BGO晶体重约824Kg，晶体与有效载荷的重量比例约59%。

作为卫星有效载荷BGO量能器的唯一候选探测材料，净长600mm晶体的研制和批量制备是BGO量能器、卫星有效载荷乃至卫星系统研制成功的基本前提之一。BGO晶体虽已在核医学、粒子物理、核物理、天体物理和石油测井等辐射探测领域获得广泛应用，但目前国际上已报道最长的BGO晶体仅为400mm长，离600mm还有非常大的差距。600mm净长BGO晶体的生长是对晶体制备科学和技术的全新挑战，甚至被认为是不可能完成的任务。

在中国科学院战略性空间科技先导专项课题等科研项目的直接支持下，从2011年6月起，BGO晶体研究团队在国际上率先开展了600mm长BGO晶体的制备研究与技术探索。在持续研究与不断尝试中，科研人员逐步解决了原料处理、生长设备、生长工艺、加工工艺以及性能表征等一系列关键科学与技术问题，先后实现了600mm长晶体的成功研制与批量制备，使上海硅酸盐所成为世界上能研制并批量制备该长度BGO晶体的唯一单位，并持续保持生长BGO晶体长度的世界纪录。科研团队系统研究了影响BGO晶体光透过和光响应均匀性的诸多因素，获得了创新性结果，为暗物质粒子探测卫星量能器晶体性能指标的确立和数据处理方案的确定做出了关键性贡献，相关论文发表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A(https://doi.org/10.1016/j.nima.2014.03.056)上，并获得了生长设备和方法及晶体应用的国家发明专利计3项（ZL201210322219.4、ZL201210322557.8和ZL201210322231.5）。

作为全球最主要的从事BGO晶体基础研究、应用开发与规模化生产的研究机构之一，中国科学院上海硅酸盐所将继续保持在超长、高质量BGO晶体制备方面的全球领先优势，再接再厉，为我国及世界粒子物理、核物理、天体物理和核医学等领域应用提供尺寸更大、质量更高和性能更优的BGO闪烁晶体。

DAMPE测到的宇宙射线能谱图（红色数据点）及国外装置测量结果的比较（图片来自Nature发表论文）