中國(guó)首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”12月17日上午成功發(fā)射升空。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所科研人員興奮地宣布，他們?yōu)樘峁┑某鯓雍驼龢庸灿?jì)640根600mm長(zhǎng)的鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）晶體，為該衛(wèi)星有效載荷的成功研制及發(fā)射提供了重要保障。
“悟空”是國(guó)際上已知觀測(cè)能段范圍最寬和能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，也是我國(guó)歷史上首顆大型空間探測(cè)裝置，其最核心的載荷是由14層，每層22根，共計(jì)308根尺寸為25mm×25mm×600mm的BGO晶體和光電倍增管構(gòu)成的BGO量能器，每根600mm長(zhǎng)BGO晶體的兩端各耦合1只光電倍增管形成1個(gè)探測(cè)單元，308個(gè)探測(cè)單元以相鄰兩層、正交排列方式形成輻射長(zhǎng)度達(dá)32X0的立體探測(cè)矩陣。該衛(wèi)星有效載荷重約1400Kg，其中BGO晶體重達(dá)824Kg，晶體與有效載荷重量比例約59%，可謂 “BGO晶體衛(wèi)星”。BGO晶體是與可能的暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)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(wèi)星探測(cè)暗物質(zhì)的“眼睛”，600mm長(zhǎng)的BGO晶體則是該衛(wèi)星探測(cè)暗物質(zhì)的“視網(wǎng)膜”。
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，該衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)在初始設(shè)計(jì)時(shí)突破性地提出采用308根25mm×25mm×600mm長(zhǎng)的BGO晶體。這樣，電子學(xué)線路設(shè)計(jì)將會(huì)大大簡(jiǎn)化，ASIC芯片用量和電子學(xué)通路數(shù)量將大大減少，芯片和電子學(xué)線路的功耗也能夠被顯著地降低，量能器互為備份、互為補(bǔ)充的雙端讀出的電子學(xué)設(shè)計(jì)也成為可能，可以大幅度地提高BGO量能器的穩(wěn)定性和可靠性。
600mm長(zhǎng)晶體的研制和量產(chǎn)是BGO量能器、衛(wèi)星有效載荷乃至衛(wèi)星系統(tǒng)研制成功的基本前提之一。雖然BGO晶體在核醫(yī)學(xué)、粒子物理、核物理、天體物理和石油測(cè)井等輻射探測(cè)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但目前國(guó)際上已報(bào)道最長(zhǎng)的BGO晶體僅為400mm長(zhǎng)，離600mm還有很大差距。更長(zhǎng)尺寸BGO晶體的生長(zhǎng)是對(duì)晶體制備科學(xué)和技術(shù)的全新挑戰(zhàn)，甚至被許多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為是不可能完成的任務(wù)。在中科院空間科技先導(dǎo)等項(xiàng)目的支持下，從2011年6月起，上海硅酸鹽所王紹華帶領(lǐng)的中試生產(chǎn)一線（BGO研究組）科研人員在國(guó)際上率先開(kāi)展了600mm長(zhǎng)BGO晶體的制備科學(xué)與技術(shù)研究。歷時(shí)兩年的持續(xù)研究與不斷嘗試中，科研人員逐步解決了原料處理、生長(zhǎng)設(shè)備、生長(zhǎng)工藝、加工工藝以及性能表征等關(guān)鍵技術(shù)與科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了600mm長(zhǎng)晶體的成功制備與量產(chǎn)，使上海硅酸鹽所成為世界上能研制并量產(chǎn)該長(zhǎng)度BGO晶體的唯一供應(yīng)商，并保持著生長(zhǎng)BGO晶體長(zhǎng)度的世界紀(jì)錄。科研人員還系統(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，獲得了創(chuàng)新性結(jié)果，為暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星量能器晶體性能指標(biāo)的確立和數(shù)據(jù)處理方案的確定做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)，相關(guān)論文已發(fā)表，并申請(qǐng)了生長(zhǎng)設(shè)備和方法及晶體應(yīng)用的國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利計(jì)3項(xiàng)。
上海硅酸鹽所所長(zhǎng)宋力昕表示，作為全球最主要的從事BGO晶體基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)與規(guī)�；a(chǎn)的研究機(jī)構(gòu)之一，他們將繼續(xù)保持在超長(zhǎng)、高質(zhì)量BGO晶體制備方面的全球領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)及世界粒子物理、核物理、天體物理和核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用提供尺寸更大、質(zhì)量更高和性能更優(yōu)的BGO晶體。
責(zé)編：微科普