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暗物质探测卫星“悟空”-br-核心BGO晶体长600mm 创世界纪录

暗物质探测卫星“悟空”
核心BGO晶体长600mm 创世界纪录
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中国科学院上海硅酸盐研究所18日在上海举行的BGO晶体与石墨烯材料科研成果发布会。康玉湛 摄

  中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”12月17日上午成功发射升空。中国科学院上海硅酸盐研究所18日在上海举行的BGO晶体与石墨烯材料科研成果发布会上表示,该所科研人员为卫星“悟空”的研幸运飞艇制提供了初样和正样共计640根600mm长的锗酸铋(Bi4Ge3O12,以下简称BGO)晶体,为中国暗物质粒子探测卫星有效载荷的成功研制及其发射提供了重要保障。

  据介绍,暗物质粒子探测卫星“悟空”主要的科学仪器在重量、功耗还是电子学线路的复杂度、工程实现难度方面都超越以往,而很多技术只有中国才有。探测器最核心的组成部分是BGO量能器,它既能测量粒子能量,又能区分粒子种类。尽管BGO晶体在核医学、粒子物理、核物理、天体物理和石油测井等辐射探测领域已有广泛应用,不过此前国际上已报道最长的BGO晶体仅为400mm长,因而600mm长的BGO晶体的成功研制及运用也创造了生长BGO晶体长度的世界新纪录。

  中国科学院上海硅酸盐研究所中试生产一线(BGO研究组)助理研究员陈俊锋说,更长尺寸BGO晶体的生长是对晶体制备科学和技术的全新挑战,许多业内专家甚至认为这是不可能完成的任务,“晶体生长的尺寸越大,其技术难度是按指数地增强而非按线性,比方说尺寸增加1倍,那难度可能增加4到6倍一个量级,技术难度方面极富挑战性,我们经过设备方面的一个探索才能够制配出现在一个尺寸的晶体”,陈俊锋说,这在物理学领域来说是一种具有绝对突破性进展和贡献。

  谈及BGO晶体在卫星“悟空”中的作用,陈俊锋也打了一个巧妙的比喻,“我们大家知道我们这次暗物质探测卫星的名字叫‘悟空’,我们都知道悟空有火眼金睛,如果把BGO量能器比作卫星‘悟空’探测暗物质的‘火眼金睛’,那么600mm长的幸运飞艇BGO晶体则是‘悟空’探测暗物质的‘视网膜’”, 陈俊锋说,晶体起到的就是间接探测暗物质的作用,从而使我们能够抓到暗物质的踪影。

  据悉,暗物质粒子探测卫星“悟空”是国际上已知观测能段范围最宽和能量分辨率最优的空间探测器,也是中国历史上首颗大型空间探测装置,其最核心的载荷是由14层,每层22根,共计308根尺寸为25×25×600mm3的BGO晶体和光电倍增管构成的BGO量能器,每根600mm长BGO晶体的两端各耦合1只光电倍增管形成1个探测单元,308个探测单元以相邻两层、正交排列方式形成辐射长度达32X0的立体探测矩阵。该卫星有效载荷重约1400Kg,其中BGO晶体重达824Kg,晶体与有效载荷重量比例约59%,可谓 “BGO晶体卫星”。BGO晶体是与可能的暗物质粒子湮灭产物(主要为高能电子和伽马射线)作用的直接媒介。

  在中科院空间科技先导等项目的支持下,从2011年6月起,上海硅酸盐所王绍华带领的中试生产一线(BGO研究组)科研人员在国际上率先开展了600mm长BGO晶体的制备科学与技术研究。在历时两年左右的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技术与科学问题,先后实现了600mm长晶体的成功制备与量产,使上海硅酸盐所成为世界上能研制并量产该长度BGO晶体的唯一供应商,并保持着生长BGO晶体长度的世界纪录。