2015年12月17日8时12分,我国空间科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心搭乘长征二号丁运载火箭成功发射升空,并顺利进入预定轨道。
作为我国第一颗完全由中国科学院研制、生产的卫星,“悟空”暗物质卫星是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的高能伽马射线,电子宇宙射线空间探测器,其科学探测指标达到国际先进水平。核探测与核电子学国家重点实验室科大部承担了该卫星惟一有效载荷的关键分系统——BGO量能器的研制工作,为我国首次实现此类大型空间探测装置作出了重要贡献。
空间暗物质粒子探测卫星(DAMPE)是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中的首发星,BGO量能器作为有效载荷的主体,承担着空间高能粒子能量的精确测量、空间高能强子本底鉴别、以及为整个有效载荷提供触发信息等关键任务。BGO量能器由308根60cm长(目前世界最长)的锗铋酸(BGO)晶体垂直交叉排列构成,共14层,每层22根晶体,双端与光电倍增管(PMT)耦合,每PMT三路读出,共1848路读出电子学,可实现迄今为止最宽的在轨观测能量范围:5GeV~10TeV,和最优的能量分辨率:1.5%@800GeV,关键性能指标优于国际上同类空间探测装置,是实现暗物质卫星核心探测功能的核心分系统。
国家重点实验室建立了以刘树彬教授为主任设计师,封常青、张云龙特任副研究员为副主任设计师,以及其他师生组成的BGO量能器科研团队,在卫星副总师安琪教授的带领下,把粒子物理、核电子学技术与空间科学相结合,在短短四年的时间内完成了方案阶段的关键技术攻关,方案样机、初样鉴定件、正样飞行件研制,以及四次欧洲核子中心的束流实验。2015年初,科研团队在完成探测器各单元组件的设计制造工作后,于2月15日合盖,完成总装。经春节期间的长时间宇宙线测试、春节后的力学、常压热循环、高温老练、真空热试验、EMC等大型环境模拟试验考核和验证,探测器所有功能正常,指标满足需求,5月11日成功通过验收,交付载荷总体。研制期间,首席科学家、工程总师、科学院主管领导及卫星、载荷总体单位领导多次莅临现场考察,对探测器性能、质量和可靠性表示肯定,对研制团队的出色表现多次大会称赞。
在暗物质卫星成功发射之际,中科院院长白春礼向我校发来贺信,代表院党组向参加工程研制建设的全体参研参试人员表示热烈的祝贺和诚挚的慰问。贺信中写道“暗物质卫星工程研制是我院首次牵头组织实施的卫星工程,1500多个日日夜夜,你们团结协作、刻苦攻关,突破了多项关键技术,解决了多项工程难题,顺利完成了工程研制任务”,并提出“继续锐意进取、大力协同、刻苦攻关,按照新时期‘三个面向、四个率先’办院方针的要求,坚定地扛起空间科学发展的大旗,为我国空间科学的发展做出新的更大的贡献”的殷切期望。
暗物质和暗能量,被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。暗物质卫星是中国科学院空间科学先导专项中首批确定立项研制的四颗科学实验卫星之一。该卫星将工作于约500千米高的晨昏太阳同步轨道,并根据任务需求采用BGO量能器结合硅阵列探测器和塑闪阵列探测器完成高能粒子能量、方向、电荷的测量,并以中子探测器提高电子与质子鉴别率,以实现科学目标:通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子,在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破;通过观测TeV以上的高能电子及重核,在宇宙射线起源方面取得突破;通过观测高能伽玛射线,在伽玛天文方面取得重要成果。在暗物质卫星中,BGO量能器分系统从功能上是核心、从结构上是中心、从重量上是“重心”(卫星总重1.85吨,BGO量能器重1.05吨),是实现暗物质卫星核心探测功能的关键分系统。
自2009年起,实验室即作为暗物质卫星合作组发起成员之一参与了工程前期论证和预研工作,完成了地面原理样机研制。在2012年卫星工程正式立项后,该团队成功攻克了“BGO晶体大动态范围读出”关键技术难题,先后按期通过了方案样机、初样鉴定件和正样飞行件的验收,产品关键指标经欧洲核子中心四次束流标定实验证实达到国际领先水平,并全力协助总体单位完成卫星总装联调以及发射试验等保障工作。
卫星成功发射后,实验室师生积极参加探测器在轨刻度标定,实验数据表明探测器运行正常,各项指标达到设计要求。习近平总书记在元旦发表新年献词中以暗物质卫星成功发射为例,阐述只要坚持,梦想就可以实现。刘延东副总理到中科院国家空间科学中心亲切看望暗物质粒子探测卫星团队全体成员。
在1月10举行的中国科学技术大学第九届二次教代会上,核探测与核电子学国家重点实验室的暗物质粒子探测卫星科大团队荣获“2015年杰出研究校长奖”,以表彰该团队在暗物质粒子探测卫星研制中的出色工作。万立骏校长、许武书记为今年荣获杰出研究校长奖的个人和团队颁奖,暗物质粒子探测卫星副总设计师安琪教授代表该团队领奖。
此次发射任务圆满成功,标志着我国空间科学研究迈出重要一步,有望推动我国科学家在暗物质探测领域取得重大突破,对促进我国空间科学领域创新发展具有重大意义。
Science网站报道:China launches satellite to join the hunt for dark matter
Nature网站报道:China’s dark-matter satellite launches era of space science