闪烁中国智慧的BGO晶体 | 科技自立自强之路

作者: 李晨阳、江庆龄

来源: 中国科学报

发布日期: 2024-06-12 17:02:18

中国科学院上海硅酸盐研究所成功研制出用于大型正负电子对撞机的重要探测器所需的BGO闪烁晶体,克服了技术难题,实现了从基础研究到批量生产的全面突破,并在多个前沿领域拓展了应用。

“叮铃铃铃……”1985年的一个冬夜,中国科学院上海硅酸盐研究所(以下简称上海硅酸盐所)原副所长殷之文最“怕”的电话又打过来了。诺贝尔奖得主、著名物理学家丁肇中问他:“晶体长得怎么样啦?”时间倒流回1982年,丁肇中专门拜访中国科学院,提出了一个非同寻常的要求。

他正在欧洲核子研究中心(CERN)主持建造大型正负电子对撞机,其中有一个重要探测器——“L3实验”需要使用12000根锗酸铋(BGO)闪烁晶体,每根晶体长度达到24厘米,用于检测不可见的高能粒子和射线。24厘米这个数字,远超当时世界上已有BGO晶体的长度。晶体不像陶瓷、玻璃等,想做多大多长都可以。它们就像庄稼一样,从一颗小小的晶体“种子”开始,在适宜的环境下,按照特定速度生长。

最理想的情况下,BGO晶体长到24厘米也需要20多天,稍有风吹草动就会前功尽弃。要不要迎难而上呢?中国科学院给出的答案是肯定的。上海硅酸盐所承接了这项重任。考虑传统提拉法制造的BGO晶体尺寸较小且质量欠佳,该所何崇藩课题组曾在人工合成云母时发展出的多坩埚下降法或许可以一试。在何崇藩力荐下,时年40岁的范世??放弃出国机会,决定大干一场。

当时正值盛夏,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,范世??一手图纸一手工具,在1×2米的空炉壳里砌砖,两只眼镜片被灰尘蒙得黑乎乎的。BGO晶体熔点很高,昂贵的铂金坩埚是唯一选择。上海硅酸盐所东拼西凑,斥巨资购入刚刚够用的铂金。当时坩埚渗漏问题困扰着各国科学家,一旦发生渗漏,滚烫的溶液就像火山爆发一样汩汩涌出,前期所有心血都会瞬间毁于一旦。

范世??整日苦思冥想、多方求助,终于找到一个破局方案。他们先熔炼铂金,让导致坩埚脆裂的杂质充分挥发,将铂金重新塑造成坩埚,再使用两层坩埚叠加,保证剩余渗漏点难以重叠。凭借令人叫绝的“土办法”,BGO晶体成品率随之迅速提升到约85%。按照合同约定,从1985年1月起,上海硅酸盐所每月要长出100根BGO晶体,而实际上到1985年年底,他们仅能拿出100根,还存在很多缺陷。

担任开发实验基地经理的殷之文调查后判断,主要问题可能出在进口原料上。殷之文耐心地与多方交涉,CERN终于同意改用中国原料。然而情况并没有很大好转,在多方压力下,殷之文亲自带队到生产原料的厂家,终于发现问题所在。原来厂家在配制原料时,将原来的石英玻璃坩埚换成了搪瓷缸,高温下搪瓷缸表面釉层脱落,大量铅离子、铁离子进入原料。

在厂方改变工艺设备后,中试取得重大突破,1986年4月,当月生产400多根优质晶体,成品率从35%急增到80%以上。1990年4月,上海硅酸盐所提前半年完成生产任务,一时间名扬国际。丁肇中竖起大拇指:“要BGO晶体,就到中国科学院上海硅酸盐研究所去!”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(简称PET)成为医学领域的新星,美国通用电气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。新组建的团队全面革新生长工艺和管理模式,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,其研制的BGO晶体还长期供货于国内龙头企业。

2015年12月17日,“悟空”号暗物质粒子探测卫星发射升空,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。最初人们认为,这是不可能实现的目标,研发团队迎难而上,原创出“四温区多坩埚晶体生长炉”。至今,上海硅酸盐所依然保持该晶体长度的世界纪录,也是世界上唯一一家能研制并批量制备该长度BGO晶体的机构。

他们的努力,让“悟空”号如期发射成为可能,让我国空间天文学家抓住了空间暗物质探测最佳时间窗口。BGO晶体的“生长”之路,一直伴随着种种难以想象的困难。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,为以BGO晶体为代表的各种先进材料探索更广阔的应用空间。在讲述BGO晶体的故事时,上海硅酸盐所党委书记王东不止一次感叹:“材料永生!”

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