1985年的一个冬夜,中国科学院上海硅酸盐研究所原副所长殷之文接到了诺贝尔奖得主、著名物理学家丁肇中的电话,询问嘉定中试基地的晶体生长情况。当时,上海硅酸盐所应交付1040根锗酸铋(BGO)晶体,但只能拿出100多根,质量还不完全达标。
时间倒流回1983年9月,CERN公布了各国生产的BGO晶体测评结果,上海硅酸盐所生产的晶体在荧光效率、能量分辨率、光衰减三大关键指标上位列第一。1984年10月,上海硅酸盐所凭借“晶体质量第一”“尺寸第一”的骄人成绩,在同美、日、法等多国团队的激烈竞标中脱颖而出,与CERN正式签订了供货合同。
面对大订单,中国科学院给出了肯定的答案,上海硅酸盐所当仁不让地承接了这项重任。范世??时年40岁,已被选拔为国家改革开放后第二批出国进修学者。他非常珍惜这个机会,为此苦学了两年英语。但当所领导找到他,阐述了BGO晶体项目的意义后,范世??决定放弃出国机会,留下来大干一场。
范世??的工作从砌“炉子”开始。当时正值盛夏,他在1×2米的空间里砌砖,周围电炉的核心温度高达1300℃,热量透过重重隔热层辐射出来,把他身处的空间加热到接近60℃。他浑身泡在汗水里,一抬头,眼镜片都被灰尘蒙得黑乎乎的。
不仅炉子要靠自己砌,就连电压都得自己调。那时工业用电电压普遍不稳,常在170伏到240伏之间跳跃,炉温会随之波动,从而导致晶体无法稳定生长。范世??通过数十天持续观察,总结出电压变化规律,请电工每天三班倒,人工调节电压,以保持炉中温度稳定。
坩埚也是必不可少的关键工具。由于BGO晶体熔点很高,传统的陶瓷坩埚无法承受,昂贵的铂金坩埚就成了唯一的选择。上海硅酸盐所在中国科学院的帮助下东拼西凑,斥巨资才购入了刚刚够用的铂金。
之后几年里,与坩埚的“爱恨纠葛”贯穿了BGO晶体研制的整个过程。范世??忘不了第一次看到坩埚渗漏事故的情形:滚烫的熔液像火山爆发时的岩浆一样汩汩冒出,连炉子衬里都被浸蚀烧熔了,场面非常骇人。
为了搞清楚坩埚渗漏的原因,范世??跑到昆明贵金属研究所请教,得到的答复是坩埚“中毒”了——铂金与杂质发生反应,从而容易开裂、漏料。如用化学办法提纯铂金,损耗率将高达25%。范世??不甘心,又到金银首饰厂向有经验的老师傅求助。首饰厂熔炼方法损耗率虽然不到千分之一,但得到的铂金锭子用气锤一敲就碎了,根本不能用。
那段时间,范世??每天吃不香、睡不好,整日冥思苦想。
突然有一天,他福至心灵,想到一个破局方案。坩埚每次发生渗漏,都只有少数几个渗漏点,这说明坩埚中的杂质并不多,且以极低的密度分散在巨大的表面积上。他们先熔炼铂金,让杂质在加热过程中提前挥发,再将杂质含量大幅减少的铂金重新铸造成坩埚。
生长晶体时,在原来的单层坩埚基础上再加一层坩埚,这样即便每层坩埚上仍留有少量杂质,但两层坩埚的渗漏点几乎不可能完全重合,从而大幅减少坩埚渗漏概率,使BGO晶体成品率迅速提升到约85%。
事实上,其他国家也深受坩埚渗漏困扰,但只有中国科研人员凭借令人拍案叫绝的“土办法”,率先解决了这个国际难题。
1990年4月,上海硅酸盐所提前半年完成CERN所需的1.2万根BGO晶体生产任务。这一成就不仅使上海硅酸盐所扬名国际,也让中国科学院在高技术材料研究开发领域实现了质的飞跃。
随着时代发展,BGO晶体应用场景进一步拓展,向着一系列前沿领域进发。20世纪末,正电子湮灭断层扫描(PET)成为医学领域的新星,在癌症、心血管疾病等的诊断中发挥重要作用。而制作PET扫描仪探头,需要优质的闪烁晶体。1998年,美国通用电气(GE)公司邀请上海硅酸盐所研发PET扫描仪所需的高质量BGO晶体。
新组建的科研团队对原有的生长工艺和管理模式进行全面革新,使得BGO晶体尺寸、质量、性能和一致性得到了质的提高。由此,上海硅酸盐所正式迈入“核医学”时代,除GE公司,其研制的BGO晶体还长期供货给国内龙头企业。
2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,开启了在太空中的漫漫奇旅。在这颗卫星的最核心位置,整齐排列着308根BGO晶体,每一根的长度都达到史无前例的60厘米。
研发团队把设想中的新设备一点点搭建起来,原创出“四温区多坩埚晶体生长炉”,终于实现了那个“不可能的目标”。正是上海硅酸盐所在这项技术上取得的突破,让“悟空”号如期发射成为可能,也让我国空间天文科学家抓住了空间暗物质探测最佳时间窗口,在激烈的国际竞赛中赢得先机。
凭借这次成功,上海硅酸盐所一举成为世界上能研制并批量制备该长度BGO晶体的唯一单位,至今保持着该晶体长度的世界纪录。
“材料永生!”讲述BGO晶体的故事时,上海硅酸盐所党委书记王东不止一次如此感叹。材料的永生特性,体现在BGO晶体上,既是在众多领域表现出的巨大应用前景,也是一代代科研人员、技术人员以薪火相传的精神,在一次次占领科技制高点的实践中,不断赋予它的持久生命力。
上海硅酸盐所充分发挥有组织、体系化、建制化优势,从基础研究到精耕细作再到扩大生产,多兵种协同作战,全链条环环相扣,一次又一次创造了奇迹。
“一代材料、一代装备、一代应用——上海硅酸盐所正积极响应时代需求,探索以BGO晶体为代表的各种先进材料更广阔的应用空间。”王东说,“我们过去取得的成绩,植根于代代传承的精神和文化。未来,我们要强化传承、创新发展,让传奇延续。”