采用超长BGO闪烁晶体的“悟空”号卫星首批伽马光子科学数据发布

2021年9月7日，国家空间科学数据中心与中国科学院紫金山天文台联合发布了“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据。这些数据是“悟空”号卫星在2016年1月1日至2018年12月31日期间观测获取的伽马光子信息，包括99864个科学事例以及与其相关的1096条卫星状态记录。伽马光子数据可用于宇宙起源、暗物质探测等科学前沿问题的研究。

图1 “悟空”号伽马射线曝光图(a)和伽马光子科学数据全天计数图(b)

“悟空”号卫星作为空间科学先导专项(一期)首发星，于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射。其主要科学目标是通过在空间观测高能电子(包括正电子)和伽马射线能谱，寻找暗物质粒子的存在证据，并开展宇宙射线起源及伽马射线天文学方面的相关研究。经过五年半的平稳运行，目前卫星平台、有效载荷均工作正常，已经完成全天区扫描超过11次，捕捉到约107亿高能宇宙射线事例，获得了宇宙线电子、质子、氦核等TeV以上能区最精确的测量结果。

图2 “悟空”号有效载荷结构示意图(a)和批量制备的600 mm超长BGO晶体(b)

作为 “悟空”号卫星的有效载荷(见图2(a))中最重要的伽马光子探测器，BGO量能器主要用于测量宇宙线粒子尤其是高能电子和伽马射线的能量，同时进行粒子鉴别，剔除高能核素(包括质子和重核)本底。该量能器采用了中国科学院上海硅酸盐研究所独家研制的308根600 mm超长的BGO闪烁晶体(见图2(b))，晶体约占卫星有效载荷总重的58%，是与伽马光子直接作用的媒介，对科学数据的获取起到关键作用。作为核心探测材料，突破超长晶体的生长技术和实现批量化制备是BGO量能器研制的基本前提之一。在中科院空间科学战略性先导科技专项等项目支持下，上海硅酸盐所王绍华研究员团队在国际上率先开展了超长BGO晶体研制工作，历时两年，相继突破了原料、设备、生长、加工以及表征等一系列关键问题，实现了超长BGO晶体的成功制备与量产，为“悟空”号卫星项目共提供650根600 mm超长BGO晶体，并系统研究了影响BGO晶体光透过和光响应均匀性的诸多因素，为“悟空”号卫星量能器用超长晶体性能指标的确立和数据处理方案的制订做出了关键性贡献，为“悟空”号具有国际领先水平的伽马光子探测功能提供了保障。