采用超長BGO閃爍晶體的“悟空”號衛(wèi)星首批伽馬光子科學數(shù)據(jù)發(fā)布

2021年9月7日，國家空間科學數(shù)據(jù)中心與中國科學院紫金山天文臺聯(lián)合發(fā)布了“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首批伽馬光子科學數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是“悟空”號衛(wèi)星在2016年1月1日至2018年12月31日期間觀測獲取的伽馬光子信息，包括99864個科學事例以及與其相關(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)探測等科學前沿問題的研究。

圖1 “悟空”號伽馬射線曝光圖(a)和伽馬光子科學數(shù)據(jù)全天計數(shù)圖(b)

“悟空”號衛(wèi)星作為空間科學先導專項(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。其主要科學目標是通過在空間觀測高能電子(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方面的相關(guān)研究。經(jīng)過五年半的平穩(wěn)運行，目前衛(wèi)星平臺、有效載荷均工作正常，已經(jīng)完成全天區(qū)掃描超過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)最精確的測量結(jié)果。

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

作為 “悟空”號衛(wèi)星的有效載荷(見圖2(a))中最重要的伽馬光子探測器，BGO量能器主要用于測量宇宙線粒子尤其是高能電子和伽馬射線的能量，同時進行粒子鑒別，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科學院上海硅酸鹽研究所獨家研制的308根600 mm超長的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，對科學數(shù)據(jù)的獲取起到關(guān)鍵作用。作為核心探測材料，突破超長晶體的生長技術(shù)和實現(xiàn)批量化制備是BGO量能器研制的基本前提之一。在中科院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項等項目支持下，上海硅酸鹽所王紹華研究員團隊在國際上率先開展了超長BGO晶體研制工作，歷時兩年，相繼突破了原料、設(shè)備、生長、加工以及表征等一系列關(guān)鍵問題，實現(xiàn)了超長BGO晶體的成功制備與量產(chǎn)，為“悟空”號衛(wèi)星項目共提供650根600 mm超長BGO晶體，并系統(tǒng)研究了影響B(tài)GO晶體光透過和光響應(yīng)均勻性的諸多因素，為“悟空”號衛(wèi)星量能器用超長晶體性能指標的確立和數(shù)據(jù)處理方案的制訂做出了關(guān)鍵性貢獻，為“悟空”號具有國際領(lǐng)先水平的伽馬光子探測功能提供了保障。