采用超長(zhǎng)BGO閃爍晶體的“悟空”號(hào)衛(wèi)星首批伽馬光子科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布

2021年9月7日，國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心與中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)聯(lián)合發(fā)布了“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首批伽馬光子科學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是“悟空”號(hào)衛(wèi)星在2016年1月1日至2018年12月31日期間觀測(cè)獲取的伽馬光子信息，包括99864個(gè)科學(xué)事例以及與其相關(guān)的1096條衛(wèi)星狀態(tài)記錄。伽馬光子數(shù)據(jù)可用于宇宙起源、暗物質(zhì)探測(cè)等科學(xué)前沿問(wèn)題的研究。

圖1 “悟空”號(hào)伽馬射線曝光圖(a)和伽馬光子科學(xué)數(shù)據(jù)全天計(jì)數(shù)圖(b)

“悟空”號(hào)衛(wèi)星作為空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)(一期)首發(fā)星，于2015年12月17日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。其主要科學(xué)目標(biāo)是通過(guò)在空間觀測(cè)高能電子(包括正電子)和伽馬射線能譜，尋找暗物質(zhì)粒子的存在證據(jù)，并開展宇宙射線起源及伽馬射線天文學(xué)方面的相關(guān)研究。經(jīng)過(guò)五年半的平穩(wěn)運(yùn)行，目前衛(wèi)星平臺(tái)、有效載荷均工作正常，已經(jīng)完成全天區(qū)掃描超過(guò)11次，捕捉到約107億高能宇宙射線事例，獲得了宇宙線電子、質(zhì)子、氦核等TeV以上能區(qū)最精確的測(cè)量結(jié)果。

圖2 “悟空”號(hào)有效載荷結(jié)構(gòu)示意圖(a)和批量制備的600 mm超長(zhǎng)BGO晶體(b)

作為 “悟空”號(hào)衛(wèi)星的有效載荷(見圖2(a))中最重要的伽馬光子探測(cè)器，BGO量能器主要用于測(cè)量宇宙線粒子尤其是高能電子和伽馬射線的能量，同時(shí)進(jìn)行粒子鑒別，剔除高能核素(包括質(zhì)子和重核)本底。該量能器采用了中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所獨(dú)家研制的308根600 mm超長(zhǎng)的BGO閃爍晶體(見圖2(b))，晶體約占衛(wèi)星有效載荷總重的58%，是與伽馬光子直接作用的媒介，對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的獲取起到關(guān)鍵作用。作為核心探測(cè)材料，突破超長(zhǎng)晶體的生長(zhǎng)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)批量化制備是BGO量能器研制的基本前提之一。在中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目支持下，上海硅酸鹽所王紹華研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先開展了超長(zhǎng)BGO晶體研制工作，歷時(shí)兩年，相繼突破了原料、設(shè)備、生長(zhǎng)、加工以及表征等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)BGO晶體的成功制備與量產(chǎn)，為“悟空”號(hào)衛(wèi)星項(xiàng)目共提供650根600 mm超長(zhǎng)BGO晶體，并系統(tǒng)研究了影響B(tài)GO晶體光透過(guò)和光響應(yīng)均勻性的諸多因素，為“悟空”號(hào)衛(wèi)星量能器用超長(zhǎng)晶體性能指標(biāo)的確立和數(shù)據(jù)處理方案的制訂做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)，為“悟空”號(hào)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的伽馬光子探測(cè)功能提供了保障。