上海硅酸鹽所600mm長BGO晶體用于暗物質探測衛星

　　12月17日上午8點12分，我國首顆暗物質粒子探測衛星“悟空”成功發射升空。中國科學院上海硅酸鹽研究所科研人員為該衛星的研制提供了初樣和正樣共計640根600mm長的鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）晶體，為我國暗物質粒子探測衛星研制及發射提供了重要保障。

　　該衛星有效載荷是國際上已知觀測能段范圍最寬和能量分辨率最優的空間探測器，也是我國歷史上首顆大型空間探測裝置，其主要探測儀是由14層、每層22根、共計308根尺寸為25×25×600mm3的BGO晶體和光電倍增管構成的BGO量能器（中國科學技術大學負責抓總研制），每根600mm長BGO晶體的兩端各耦合1只光電倍增管形成1個探測單元，308個探測單元以相鄰兩層、正交排列方式形成輻射長度達32X0的立體探測矩陣。該衛星有效載荷重約1400Kg，其中BGO晶體重達824Kg，晶體與有效載荷重量比例約59%，可謂“BGO晶體衛星”。BGO晶體是與可能的暗物質粒子湮滅產物（主要為高能電子和伽馬射線）作用的直接媒介，如果把BGO量能器比作為衛星探測暗物質的“眼睛”，600mm長的BGO晶體則是該衛星探測暗物質的“視網膜”。

　　在該衛星有效載荷的初始設計中，衛星研制團隊擬采用576根25×25×300mm3長的晶體構建BGO量能器，但考慮到有效載荷需滿足高集成度、低功耗和高可靠性等苛刻要求，最終確定采用308根25×25×600mm3長的BGO晶體的可行性設計。量能器采用25×25×600mm3長的BGO晶體后，其電子學線路設計將會大大簡化，ASIC芯片用量和電子學通路數量將大大減少，芯片和電子學線路的功耗也能夠被顯著地降低。同時，采用600mm長晶體使得量能器互為備份、互為補充的雙端讀出電子學設計成為可能，大幅度地提高BGO量能器的穩定性和可靠性。

　　600mm長晶體作為衛星有效載荷BGO量能器的唯一候選探測材料，該尺寸晶體的研制和量產是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。雖然BGO晶體在核醫學、粒子物理、核物理、天體物理和石油測井等輻射探測領域已有廣泛應用，但目前國際上已報道最長的BGO晶體僅為400mm長，離600mm還有很大差距。更長尺寸BGO晶體的生長是對晶體制備科學和技術的全新挑戰，許多業內專家甚至認為這是不可能完成的任務。在中科院空間科學先導專項等項目的支持下，從2011年6月起，上海硅酸鹽所王紹華帶領的中試生產一線（BGO研究組）科研人員在國際上率先開展了600mm長BGO晶體的制備科學與技術研究。在歷時兩年左右的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技術與科學問題，先后實現了600mm長晶體的成功制備與量產，使上海硅酸鹽所成為世界上能研制并量產該長度BGO晶體的唯一供應商，并保持著生長BGO晶體長度的世界紀錄。另外，中試生產一線科研人員還系統研究了影響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NIMA (NIMA. 2014, 753: 143-148)上，并申請了生長設備和方法及晶體應用的國家發明ZL計3項（其中1項已授權，CN102828230A）。在暗物質粒子衛星原型樣機的研制過程中，該生產線還為衛星項目預研提供了120根25×25×300mm3 BGO晶體，率先發現宇宙高能電子“異常超出”的美國南極氣球實驗（ATIC）采用的BGO晶體也全部由該生產線提供。

　　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，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，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晶體。

圖1 暗物質粒子探測衛星有效載荷結構示意圖（中國科技大學提供）

圖2 上海硅酸鹽所研制的600mm長BGO晶體