上硅所研制的BGO晶體為“悟空”號取得首批重大科學成果發揮關鍵作用

鋼鐵俠 6年前 (2017-11-30) 2919瀏覽

日前，中國科學院在北京舉行新聞發布會，宣布中科院空間科學戰略性先導專項的首發星——“悟空”號暗物質粒子探測衛星（DAMPE）取得首批重大科學成果，該成果于北京時間2017年11月30日凌晨在Nature雜志在線發表（https://www.nature.com/articles/doi:10.1038/nature24475）。?

?DAMPE衛星于2015年12月17日發射成功，迄今已在軌運行530天，共采集了約28億顆高能宇宙射線，包含約150萬例25GeV以上的電子宇宙射線。基于這些數據，DAMPE科學團隊成功獲取了目前國際上精度最高的TeV電子宇宙射線探測結果。DAMPE首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在~1 TeV處的拐折，反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對于判定能量低于1TeV的部分電子宇宙射線是否來自于暗物質起著關鍵性作用。此外，“悟空”的數據初步顯示，能譜在~1.4 TeV處存在精細結構。目前“悟空”運行狀態良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。?

中國科學院上海硅酸鹽研究所王紹華研究員帶領的BGO晶體研究團隊為該衛星項目的研制提供了650根600mm長的鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）閃爍晶體，為我國DAMPE衛星有效載荷的成功研制、如期發射和取得首批成果提供了最關鍵探測材料保障。在DAMPE衛星中，600mm長BGO晶體是最核心的探測材料，308根BGO晶體是衛星的結構中心、質量中心和功能實現的核心，與暗物質粒子可能湮滅產物（主要為高能電子和伽馬射線）作用的直接媒介。該衛星有效載荷重約1400Kg，其中BGO晶體重約824Kg，晶體與有效載荷的重量比例約59%。?

作為衛星有效載荷BGO量能器的唯一候選探測材料，凈長600mm晶體的研制和批量制備是BGO量能器、衛星有效載荷乃至衛星系統研制成功的基本前提之一。BGO晶體雖已在核醫學、粒子物理、核物理、天體物理和石油測井等輻射探測領域獲得廣泛應用，但目前國際上已報道最長的BGO晶體僅為400mm長，離600mm還有非常大的差距。600mm凈長BGO晶體的生長是對晶體制備科學和技術的全新挑戰，甚至被認為是不可能完成的任務。?

?在中國科學院戰略性空間科技先導專項課題等科研項目的直接支持下，從2011年6月起，BGO晶體研究團隊在國際上率先開展了600mm長BGO晶體的制備研究與技術探索。在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科學與技術問題，先后實現了600mm長晶體的成功研制與批量制備，使上海硅酸鹽所成為世界上能研制并批量制備該長度BGO晶體的唯一單位，并持續保持生長BGO晶體長度的世界紀錄。科研團隊系統研究了影響BGO晶體光透過和光響應均勻性的諸多因素，獲得了創新性結果，為暗物質粒子探測衛星量能器晶體性能指標的確立和數據處理方案的確定做出了關鍵性貢獻，相關論文發表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A(https://doi.org/10.1016/j.nima.2014.03.056)上，并獲得了生長設備和方法及晶體應用的國家發明專利計3項（ZL201210322219.4、ZL201210322557.8和ZL201210322231.5）。?

作為全球最主要的從事BGO晶體基礎研究、應用開發與規模化生產的研究機構之一，中國科學院上海硅酸鹽所將繼續保持在超長、高質量BGO晶體制備方面的全球領先優勢，再接再厲，為我國及世界粒子物理、核物理、天體物理和核醫學等領域應用提供尺寸更大、質量更高和性能更優的BGO閃爍晶體。?

DAMPE測到的宇宙射線能譜圖（紅色數據點）及國外裝置測量結果的比較（圖片來自Nature發表論文）