探测卫星凭啥捕捉暗物质粒子？

人民网上海12月19日电 (记者 姜泓冰)中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”17日上午成功发射升空。中国科学院上海硅酸盐研究所科研人员兴奋地宣布，他们为提供的初样和正样共计640根600mm长的锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）晶体，为该卫星有效载荷的成功研制及发射提供了重要保障。

“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，也是我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，如果把BGO量能器比作为卫星探测暗物质的“眼睛”，600mm长的BGO晶体则是该卫星探测暗物质的“视网膜”。

考虑到有效载荷需满足高集成度、低功耗和高可靠性等苛刻要求，该卫星研制团队在初始设计时突破性地提出采用308根25×25×600mm3长的BGO晶体。这样，电子学线路设计将会大大简化，ASIC芯片用量和电子学通路数量将大大减少，芯片和电子学线路的功耗也能够被显著地降低，量能器互为备份、互为补充的双端读出的电子学设计也成为可能，可以大幅度地提高BGO量能器的稳定性和可靠性。

600mm长晶体的研制和量产是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。虽然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，但目前国际上已报道最长的BGO晶体仅为400mm长，离600mm还有很大差距。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，甚至被许多业内专家认为是不可能完成的任务。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。历时两年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关键技术与科学问题，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。科研人员还系统研究了影响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，相关论文已发表，并申请了生长设备和方法及晶体应用的国家发明专利计3项。

上海硅酸盐所所长宋力昕表示，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，他们将继续保持在超长、高质量BGO晶体制备方面的全球领先优势，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晶体。