探测卫星凭啥捕捉暗物质粒子？

12月17日上午，中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射。中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员兴奋地宣布，他们已经提供了640个600毫米长的锗酸铋(Bi4Ge3O12，BGO)晶体作为初始样品和正常样品，为卫星有效载荷的成功研制和发射提供了重要保证。

“悟空”是世界上观测能量范围最广、能量分辨率最高的空间探测器。它也是我国历史上第一个大型空间探测器。它的核心负载是一个BGO热量计，由14层，每层22块，308个25毫米×25毫米×600毫米的BGO晶体和光电倍增管组成。每个600毫米长的BGO晶体的每一端都与一个光电倍增管耦合形成一个检测单元。308个检测单元以相邻的两层正交排列形成辐射长度为32X0的三维检测矩阵。卫星有效载荷约1400千克，其中BGO水晶重824千克，水晶与有效载荷的重量比为59%，可称为“BGO水晶卫星”。BGO晶体是与可能的暗物质粒子(主要是高能电子和伽马射线)的湮灭产物相互作用的直接介质。如果用BGO热量计作为卫星探测暗物质的“眼睛”，那么600毫米长的BGO晶体就是卫星探测暗物质的“视网膜”。

考虑到有效载荷需要满足高集成度、低功耗和高可靠性的要求，卫星开发团队在最初的设计中取得了突破，使用了308个25毫米×25毫米×600毫米长的BGO晶体。这样，电子电路的设计将大大简化，专用集成电路芯片的数量和电子电路的数量将大大减少，芯片和电子电路的功耗也将大大降低，以热量计作为备份和互补的双端读出的电子设计也是可能的，这可以大大提高BGO热量计的稳定性和可靠性。

600毫米长晶体的开发和大规模生产是成功开发BGO热量计、卫星有效载荷甚至卫星系统的基本先决条件之一。尽管BGO晶体已被广泛应用于核医学、粒子物理学、核物理、天体物理学和石油测井等辐射探测领域，但据报道，世界上最长的BGO晶体只有400毫米长，距离600毫米还有很长的路要走..长尺寸BGO晶体的生长对晶*备科学技术提出了新的挑战，甚至被许多业内专家认为是不可能的任务。在中国科学院空间科学与技术试点项目等项目的支持下，自2011年6月以来，上海硅酸盐研究所王绍华领导的试点生产线(BGO研究组)的研究人员率先开展了600毫米长BGO晶*备科学与技术的国际研究。经过两年的不断研究和不断尝试，研究人员已经逐步解决了原材料加工、生长设备、生长工艺、加工技术和性能表征等关键技术和科学问题，并成功制备和批量生产了600毫米长的晶体，使上海硅酸盐成为世界上唯一能够开发和批量生产这种长度的BGO晶体的供应商，并保持了生长BGO晶体的世界纪录。研究人员还系统地研究了影响BGO晶体光传输和光响应均匀性的许多因素，并取得了创新性成果，这些成果为建立晶体性能指标和定制暗物质粒子探测卫星热量计的数据处理方案做出了重要贡献。已发表相关论文，并申请了三项生长设备和方法以及晶体应用的国家发明专利。

上海硅酸盐研究所所长宋立新表示，作为从事BGO晶体基础研究、应用开发和大规模生产的世界领先研究机构之一，上海硅酸盐研究所将继续保持世界超长、高质量BGO晶*备的领先地位，为中国和世界的粒子物理、核物理、天体物理和核医学应用提供更大尺寸、更高质量和更好性能的BGO晶体。