閃爍中國智慧的BGO晶體

▲不同形狀、尺寸的BGO晶體、陣列和探測器件。

▲上海硅酸鹽所研制和生產的 1.2 萬余根大尺寸、高質量 BGO 晶體成功應用于 CERN 正負電子對撞機的電磁量能器。

▲L3實驗用24厘米長大尺寸BGO單晶研究團隊。

▲殷之文（右二）陪CERN負責人參觀上海硅酸鹽所陳列室。

▲60厘米長大尺寸BGO晶體研究團隊部分成員。上海硅酸鹽所供圖

■本報記者 李晨陽 見習記者 江慶齡

“叮鈴鈴鈴……”

1985年的一個冬夜，中國科學院上海硅酸鹽研究所（以下簡稱上海硅酸鹽所）原副所長殷之文最“怕”的電話又打過來了。

“嘉定中試基地的晶體長得怎么樣啦？”電話里傳來諾貝爾獎得主、著名物理學家丁肇中關切的聲音。當時丁肇中在位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN），由于時差緣故，總是“深夜來電”。

殷之文苦惱得很，因為按照和CERN簽訂的合同，此時他們應該交付1040根鍺酸鉍（BGO）晶體，但事實上只能拿出來100多根，質量還不完全達標。

時間倒流回1983年9月，CERN公布了各國生產的BGO晶體測評結果，上海硅酸鹽所生產的晶體，熒光效率、能量分辨率、光衰減三大關鍵指標都位列第一。1984年10月，上海硅酸鹽所憑借“晶體質量第一”“尺寸第一”的驕人成績，在同美、日、法等多國團隊的激烈競標中脫穎而出，與CERN正式簽訂了供貨合同。

當時的驕傲和喜悅記憶猶新，而此刻他們卻不得不面對嚴峻的現實——中標只是一個開始，要克服的困難還多著呢。

1 面對大訂單，迎難而上

20世紀80年代，放眼各行各業，中國通過競標拿到的國際大訂單寥寥無幾。

1982年，早已蜚聲國際的丁肇中來到北京，專門拜訪中國科學院，并提出了一個特殊的項目需求。

丁肇中在CERN主持建造的大型正負電子對撞機有一個重要探測器——“L3實驗”，其電磁量能器需要采用新型BGO閃爍晶體建造。

從外表看，無色透明的BGO晶體與玻璃沒什么區別，但它被高能射線照射后，會發出藍綠色熒光，可以用來檢測不可見的高能粒子和射線。

此前，上海硅酸鹽所在研制BGO晶體方面有些積累，但這一次，CERN對BGO晶體的要求非同尋常——除了各項性能要非常優越外，長度要達到24厘米，遠超當時世界上已有BGO晶體的長度，而且當時全世界BGO晶體只有4公斤左右產量，但“L3實驗”卻需要12噸。

晶體的“脾性”與陶瓷、玻璃等不同，并不是想做多大、做成什么形狀都可以的。專業人員用“長”字形容晶體形成過程，它就像莊稼一樣，從一顆小小的晶體“種子”開始，在適宜的環境條件下，按照特定的生長速度，朝偏愛的“方向”生長。一根BGO晶體一天只能長1厘米，最理想的情況下，長到24厘米需要20多天，其間稍微有點風吹草動，就會前功盡棄。

這么難做的晶體，訂單一簽，就要供應1.2萬根！

要不要迎難而上呢？

中國科學院給出的答案是肯定的。這是一個參與國際大科學工程的難得機會，有助于在國際競爭中提高中國的研究水平。于是上海硅酸鹽所當仁不讓地承接了這項重任。

此前，該所何崇藩課題組曾用傳統的提拉法成功制造過BGO晶體，并應用于我國第一臺X射線斷層掃描儀樣機中。但提拉法生長出的BGO晶體尺寸較小且質量欠佳。恰好何崇藩等人曾在人工合成云母時發展出多坩堝下降法，這個方法或許可以用于制備大尺寸BGO晶體。但究竟能不能成，大家心里都沒數。

何崇藩推薦了得力干將范世??。時年40歲的范世??已被選拔為國家改革開放后第二批出國進修學者。他非常珍惜這個機會，為此苦學了兩年英語。但當所領導找到他，語重心長地闡述了BGO晶體項目的意義后，范世??決定放棄出國機會，留下來大干一場。

2 應用土辦法，解決難題

所謂坩堝下降法，是指把用于生長晶體的原材料裝進特制的坩堝中，隨后后者在具有溫度梯度的高溫爐中緩慢下降。下降過程中，坩堝底部的溫度先降到熔點以下并開始結晶，晶體隨坩堝下降而持續長大。

不同晶體所需要的生長條件不同，關鍵之一是“爐子”。上海硅酸鹽所有著自力更生、為晶體量身定做生長設備的傳統，因此范世??的工作也是從砌“爐子”開始的。

當時正值盛夏，范世??一手拿著圖紙，一手拿著工具，身體弓得像只蝦，在1×2米的空爐殼里砌磚。周圍電爐的核心溫度高達1300℃，熱量透過重重隔熱層輻射出來，把他身處的小空間加熱到接近60℃。他渾身泡在汗水里，一抬頭，眼鏡片都被灰塵蒙得黑乎乎的。

不僅爐子要靠自己砌，就連電壓都得自己調。那時工業用電電壓普遍不穩，常在170伏到240伏之間跳躍，爐溫會隨之波動，從而導致晶體無法穩定生長。范世??通過數十天持續觀察，總結出電壓變化規律，請電工每天三班倒，人工調節電壓，以保持爐中溫度穩定。

坩堝也是必不可少的關鍵工具。由于BGO晶體熔點很高，傳統的陶瓷坩堝無法承受，昂貴的鉑金坩堝就成了唯一的選擇。上海硅酸鹽所在中國科學院的幫助下東拼西湊，斥巨資才購入了剛剛夠用的鉑金。

之后幾年里，與坩堝的“愛恨糾葛”貫穿了BGO晶體研制的整個過程。

范世??忘不了第一次看到坩堝滲漏事故的情形：滾燙的熔液像火山爆發時的巖漿一樣汩汩冒出，連爐子襯里都被浸蝕燒熔了，場面非常駭人。親手砌起來的晶體生長爐、來之不易的鉑金坩堝、貴比黃金的BGO熔液、已經長了一半的晶體毀于一旦，每個人心頭都在滴血。

為了搞清楚坩堝滲漏的原因，范世??跑到昆明貴金屬研究所請教，得到的答復是坩堝“中毒”了——鉑金與雜質發生反應，從而容易開裂、漏料。如用化學辦法提純鉑金，損耗率將高達25%。范世??不甘心，又到金銀首飾廠向有經驗的老師傅求助。首飾廠熔煉方法損耗率雖然不到千分之一，但得到的鉑金錠子用氣錘一敲就碎了，根本不能用。

那段時間，范世??每天吃不香、睡不好，整日冥思苦想。突然有一天，他福至心靈，想到一個破局方案。

坩堝每次發生滲漏，都只有少數幾個滲漏點，這說明坩堝中的雜質并不多，且以極低的密度分散在巨大的表面積上。他們先熔煉鉑金，讓雜質在加熱過程中提前揮發，再將雜質含量大幅減少的鉑金重新鑄造成坩堝。生長晶體時，在原來的單層坩堝基礎上再加一層坩堝，這樣即便每層坩堝上仍留有少量雜質，但兩層坩堝的滲漏點幾乎不可能完全重合，從而大幅減少坩堝滲漏概率，使BGO晶體成品率迅速提升到約85%。

事實上，其他國家也深受坩堝滲漏困擾，但只有中國科研人員憑借令人拍案叫絕的“土辦法”，率先解決了這個國際難題。

BGO晶體生產期間，丁肇中多次來到上海硅酸鹽所。他驚訝地說：“我參觀過全世界那么多實驗室，從沒見過一個實驗室用這么簡陋的設備，在這么短的時間里做出這么好的晶體！”

3 直擊真問題，提前完工

晶體質量第一！尺寸第一！中國自主研制的BGO晶體拿下了國際訂單！

一個又一個捷報傳來，上海硅酸鹽所上上下下都無比振奮。

然而，在實驗室中能長出良好BGO晶體的工藝，轉移到位于上海嘉定的中試基地后卻出了大問題。

按照合同約定，從1985年1月起，上海硅酸鹽所每月要長出100根BGO晶體。然而從1984年干到1985年底，他們只能拿出100根有缺陷的晶體。面對來自四面八方的壓力，團隊不少人開始自我懷疑。

關鍵時刻，擔任開發實驗基地經理的殷之文調查統計了1985年生長出來的晶體，發現主要問題可能出在進口原料上。但對這個判斷，很多人并不認可。要知道那些原料可是CERN從國外著名化工廠購買的，純度世界一流。

殷之文耐心地與多方交涉，半年后，CERN終于同意改用中國原料。然而，更換原料后，情況并沒有完全好轉，反而時不時就產出一大批顏色發黃的晶體。

平日里總笑盈盈的殷之文嚴肅起來，帶隊到生產原料的廠家實地調查。最后發現，前期實驗室研究階段，生產所需原料少，化學反應是在石英玻璃坩堝中進行的；進入中試階段后，原料需求量大幅增加，廠家便在搪瓷缸里進行配制。搪瓷缸表面釉層脫落后露出鐵層，大量鉛離子、鐵離子進入原料，導致晶體性能出現了致命性的降低。

廠方改變工藝設備后，1986年4月，中試取得重大突破——當月生產出400多根優質晶體，成品率從35%迅速增加到80%以上。

這下，殷之文再也不怕丁肇中的“深夜來電”了。

也是這個時期，一個19歲的毛頭小伙來到開發實驗基地。他叫吳泓澍，只有初中學歷，此前是玻璃工。他來這里學習加工晶體。

L3探測器形狀像一個倒置的錐形大桶，1.2萬根BGO晶體呈傘狀排列其中，每根晶體是一端細一端粗的棱臺形狀。吳泓澍等人的任務，就是把測試合格的晶體毛坯加工成上述形狀。

這些年輕的工人，每次手捧價值不菲、凝結著無數人心血的BGO晶體，都像抱著剛出生的嬰兒，無比珍愛和慎重。但由于經驗不足，一個冬天的周末過后，他們發現用蠟黏合固定等待切割的二三十根晶體，居然因蠟遇冷收縮而被生生扯斷了。大家心疼得喘不上氣，恨不得抽自己幾巴掌。

盡管遇到過不少挫折，但在領導和師長的寬容與鼓勵下，吳泓澍迅速成長起來，成為晶體加工領域當之無愧的一把好手。

BGO晶體的“生長”之路，一直伴隨著種種難以想象的困難。好在團隊管理、科研、技術人員相互扶持、密切協作，闖過了重重難關。

“當時我們建立了務實有效的執行組會議制度。”時任開發實驗基地黨支部副書記史良法回憶道，“從領導到每個具體環節的負責人，都以節點、目標、問題為導向，一起想辦法解決問題，大大加快了進度。”

1990年4月，上海硅酸鹽所提前半年完成CERN所需的1.2萬根BGO晶體生產任務。

這一成就不僅使上海硅酸鹽所揚名國際，也讓中國科學院在高技術材料研究開發領域實現了質的飛躍。BGO晶體研究開發項目因此被授予1988年國家發明獎一等獎、中國科學院科技進步獎一等獎、“八五”科技攻關獎、十五屆國際發明和新技術展覽金牌獎等榮譽。

丁肇中也豎起大拇指：“要BGO晶體，就到中國科學院上海硅酸鹽研究所去！”

4 挑戰多領域，閃耀世界

隨著時代發展，BGO晶體應用場景進一步拓展，向著一系列前沿領域進發。

20世紀末，正電子湮滅斷層掃描（PET）成為醫學領域的新星，在癌癥、心血管疾病等的診斷中發揮重要作用。而制作PET掃描儀探頭，需要優質的閃爍晶體。

1998年，美國通用電氣（GE）公司邀請上海硅酸鹽所研發PET掃描儀所需的高質量BGO晶體。PET技術對BGO晶體的要求比高能物理應用高得多，且要求制備成本足夠低——這又是一次艱巨的挑戰。

新組建的科研團隊對原有的生長工藝和管理模式進行全面革新，使得BGO晶體尺寸、質量、性能和一致性得到了質的提高。由此，上海硅酸鹽所正式邁入“核醫學”時代，除GE公司，其研制的BGO晶體還長期供貨給國內龍頭企業。

2015年12月17日，暗物質粒子探測衛星“悟空”發射升空，開啟了在太空中的漫漫奇旅。在這顆衛星的最核心位置，整齊排列著308根BGO晶體，每一根的長度都達到史無前例的60厘米。

“晶體尺寸每一次較大的跨越，都意味著一次更艱巨的挑戰的到來。”上海硅酸鹽所研究員陳俊鋒說，“盡管我們在生長20厘米~30厘米BGO晶體上有著較好積累，但要讓BGO晶體直接長到60厘米，最初大家都認為這是根本不可能的事。”

組會上大家開展頭腦風暴時，靈感迸發了：以前的晶體比較短，大部分時間都處于生長爐內部，但如果是60厘米長的晶體，會有很長一段從生長設備露出來，并隨時間增加而不斷延長。這部分晶體會帶走越來越多的熱量，一來容易導致晶體因頭尾溫差過大而斷裂，二來會引起晶體生長過程失控。

那么，能不能在常規生長爐“三溫區”的設計基礎上，再加一個可拆卸的第四溫區，讓超長晶體生長的全過程處于可控狀態呢？

研發團隊把設想中的新設備一點點搭建起來，原創出“四溫區多坩堝晶體生長爐”，終于實現了那個“不可能的目標”。

正是上海硅酸鹽所在這項技術上取得的突破，讓“悟空”號如期發射成為可能，也讓我國空間天文科學家抓住了空間暗物質探測最佳時間窗口，在激烈的國際競賽中贏得先機。

憑借這次成功，上海硅酸鹽所一舉成為世界上能研制并批量制備該長度BGO晶體的唯一單位，至今保持著該晶體長度的世界紀錄。

“材料永生！”講述BGO晶體的故事時，上海硅酸鹽所黨委書記王東不止一次如此感嘆。

材料的永生特性，體現在BGO晶體上，既是在眾多領域表現出的巨大應用前景，也是一代代科研人員、技術人員以薪火相傳的精神，在一次次占領科技制高點的實踐中，不斷賦予它的持久生命力。

在BGO晶體“茁壯生長”的數十年間，上海硅酸鹽所充分發揮有組織、體系化、建制化優勢，從基礎研究到精耕細作再到擴大生產，多兵種協同作戰，全鏈條環環相扣，一次又一次創造了奇跡。

“一代材料、一代裝備、一代應用——上海硅酸鹽所正積極響應時代需求，探索以BGO晶體為代表的各種先進材料更廣闊的應用空間。”王東說，“我們過去取得的成績，植根于代代傳承的精神和文化。未來，我們要強化傳承、創新發展，讓傳奇延續。”

《中國科學報》 (2024-06-12 第4版 專題)