中國科學院上海硅酸鹽研究所中試生產一線科技人員在成功制備出第一根650mm長BGO毛坯晶體的基礎上，通過對晶體生長設備的創(chuàng)新設計和工藝的持續(xù)優(yōu)化，實現了超長BGO晶體產業(yè)化制備技術的重大突破，單爐次產能提升10余倍（達22根/爐），平均生長成品率超過80%，在極短的周期內為中國空間暗物質探測衛(wèi)星（DAMPE）項目提供了320根25*25*600mm3的成品晶體，同時申請了生長設備和方法的發(fā)明專利，實現了真正意義上研究與開發(fā)項目的成功和技術上的突破。
鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）晶體是一種有著廣泛應用的重要無機閃爍體材料，隨著該晶體實際應用中所需探測粒子和射線能量的不斷提升（從MeV到GeV，再到TeV），對其長度方向尺度的要求也在不斷提高，研究與開發(fā)更長尺寸的晶體成為該晶體一個極為重要的發(fā)展方向。在中國科學院空間科技先導項目的支持下，上海硅酸鹽所中試生產一線于2011年6月啟動了超長BGO晶體的研制工作。經過近5個月的反復探索試驗，研究團隊成功地制備出第一根長達650mm的BGO晶體毛坯并加工成25*25*600mm3成品晶體。25*25*600mm3成品BGO晶體的成功制備為其在相關的探測領域的應用提供了可能，DAMPE項目急需我所提供300根25*25*600mm3的成品晶體。經中試生產一線科技人員的刻苦攻關，反復探索實驗，不斷突破超長晶體制備中的諸多關鍵技術，對生長工藝和設備進行了全新的技術改造，高效地利用了原有的資源，使得晶體制備的成品率大幅度提高、單爐產能也得到十余倍的提升，既節(jié)省了巨額的資金投入也節(jié)省了寶貴的時間，按時完成了第一批訂單確定的300根600mm長BGO晶體和追加的20根該尺寸晶體的訂單任務。
目前，中試生產一線科研人員仍在對制備工藝技術進行持續(xù)性優(yōu)化，進一步提高晶體的質量、性能和制備成品率，并為完成DAMPE項目第二批訂單和開發(fā)更長尺寸的晶體作不懈努力，同時開展將該制備技術拓展用于其他功能晶體的探索性研究。
BGO是Bi2O3-GeO2系化合物的總稱鍺酸鉍的縮寫，目前又往往特指其中的一種化合物Bi4Ge3O12。這種BGO是一種閃爍晶體，無色透明。當一定能量的電子、γ射線或重帶電粒子進入BGO時，它能發(fā)出藍綠色的熒光，記錄熒光的強度和位置，就能計算出入射電子、γ射線等的能量和位置。這就是BGO的“眼睛”作用，即可用作高能粒子的“探測器”。
人類一直在探索宇宙的奧秘、宇宙的形成、宇宙的最小的最基本的結構。人們認為，宇宙是從大爆炸開始的，溫度非常高，有電子、重電子、“層子”，隨后慢慢冷卻，變成質子、原子核、原子。利用正負電子對撞機可以人工模擬宇宙剛爆炸時的溫度，而要探測所產生的粒子就需要一種測量光子和電子能量、位置的高分辨率的BGO電磁量能器，其中僅BGO晶體材料一項就達 11000kg之多。
BGO發(fā)光性質的發(fā)現
BGO成為性能優(yōu)異的新一代閃爍晶體材料，首先應歸功于BGO發(fā)光性質的發(fā)現。BGO是我國研制的一種閃爍晶體，曾用于諾貝爾獎獲得者丁肇中的著名實驗中。
科學上的重要發(fā)現，往往是打破常規(guī)的。70年代初，在美國 Raytheon公司研究部工作的科學家M.J.Weber和R.R.Monchamp把BGO作為固體激光工作物質研究它的光譜性質，另外一些研究部門有興趣于X射線增強屏和閃爍材料。當時Weber建立了一臺X射線激發(fā)熒光光譜儀。按常規(guī)，Bi3+離子是各種磷光體的激活劑，但Bi3+在磷光體中的濃度很低（約百分之幾），Bi3+離子的濃度高了，就會因離子間的相互作用產生非輻射衰減，形成熒光淬滅。每cm3的BGO中含有1.38×1022個Bi3+，濃度如此之高，會有熒光現象嗎？Weber毅然用BGO作了實驗。他興奮地發(fā)現，在光和X射線輻照下，BGO在室溫下有很強的發(fā)光性質。結合著BGO具有高有效原子數（即對射線的高阻擋本領）和其他優(yōu)良的物理化學性質，又不潮解，他預言了BGO作為新一代閃爍體的應用前景，揭開了BGO在高能物理、核物理、核醫(yī)學、核工業(yè)和石油勘探等方面廣泛應用的新篇章。如果Weber墨守成規(guī)，不去測量BGO的發(fā)光性質，這個有重要意義的發(fā)現不就失之交臂了嗎？
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