上海硅酸盐所研制的600mm长BGO晶体用于中国暗物质粒子探测卫星

  • 张培帅 (中国科学院上海硅酸盐研究所)
  • 创建于 2015-12-21
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12月17日上午8点12分,我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射升空。中国科学院上海硅酸盐研究所科研人员为该卫星的研制提供了初样和正样共计640根600mm长的锗酸铋(Bi4Ge3O12,BGO)晶体,为我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。

该卫星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”。

在该卫星有效载荷的初始设计中,卫星研制团队拟采用576根25×25×300mm3长的晶体构建BGO量能器,但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,最终确定采用308根25×25×600mm3长的BGO晶体的可行性设计。量能器采用25×25×600mm3长的BGO晶体后,其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。同时,采用600mm长晶体使得量能器互为备份、互为补充的双端读出电子学设计成为可能,大幅度地提高BGO量能器的稳定性和可靠性。

图1 暗物质粒子探测卫星有效载荷结构示意图(中国科技大学提供)图1 暗物质粒子探测卫星有效载荷结构示意图(中国科技大学提供)

600mm长晶体作为卫星有效载荷BGO量能器的唯一候选探测材料,该尺寸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,许多业内专家甚至认为这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。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。另外,中试生产一线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,相关论文发表在NIMA(NIMA. 2014, 753: 143-148)上,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(其中1项已授权,CN102828230A)。在暗物质粒子卫星原型样机的研制过程中,该生产线还为卫星项目预研提供了120根25×25×300mm3BGO晶体,率先发现宇宙高能电子“异常超出”的美国南极气球实验(ATIC)采用的BGO晶体也全部由该生产线提供。

 图2 上海硅酸盐所研制的600mm长BGO晶体 图2 上海硅酸盐所研制的600mm长BGO晶体    

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,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,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。

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责任编辑:宋超