张明辉

在高能物理领域，只要提到BGO晶体（锗酸铋），人们首先想到的就是上海硅酸盐研究所，以致形成了这样一种共识：“要BGO，找上海硅酸盐所”。BGO晶体是一种人工生长的闪烁单晶体，分子式是Bi₄Ge₃O₁₂。要了解BGO闪烁晶体，我们就要先介绍一下晶体及闪烁晶体。

晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。所有晶体具有如下的通性：均匀性、各向异性、自范性、固定熔点性、对称性、X射线衍射。由于晶体所具有的各种各样的特性，它们在工业技术、高科技产业、国民生活等领域都具有非常重要的作用。通过长期的地质演变和迁移，自然界中存在许多千姿百态的天然晶体，它们或玲珑小巧，或光彩艳丽，令人叹为观止，比如珍贵稀有、璀璨夺目的天然金刚石和五颜六色的天然宝石。尽管地球上蕴藏着丰富多彩的天然晶体，但是它们无论在数量、品种和质量上都无法满足现代工业生产和科技进步的需求，因此人工模拟自然界的成矿条件，采用人工培育的方法生长晶体，就成为了一种研究、利用晶体的重要手段。在实验室中，采用精巧的设备，严格设定晶体生长所需的温度、气氛和组分等条件，生长出符合要求的高质量晶体，这种晶体就叫人工晶体。

随着研究技术的进步，科学家开发生长出了越来越多的人工晶体，从极其难生长的金刚石晶体到很常见的氯化钠晶体，都可以在实验室进行人工制备。人工晶体的应用也是涉及到方方面面，比如用于集成电路、太阳能电池的单晶硅和高功率激光的非线性光学晶体。在种类繁多的人工晶体中，有一类晶体尤其受到科研人员的关注，那就是闪烁晶体。

提到闪烁晶体，我们似乎感到很陌生，但是，我们中国人曾在这个领域取得了辉煌的成就。通常应用的闪烁晶体材料都是人工培育生长出来的，种类也很多，从化学成分来讲有氧化物、卤化物等。

宇宙的形成、基本结构等奥秘一直是人类未解之谜，目前的一种共识是宇宙是通过大爆炸形成的，开始时，温度非常高，有电子、重电子、“层子”等高能量的小粒子。在随后的冷却过程中，这些小粒子逐渐变成质子、原子核、原子。为了探索宇宙形成、演变的奥秘，需要模拟宇宙形成时的条件，追踪小粒子的状况，从而获得宇宙形成时的信息。利用正负电子对撞机可以人工模拟宇宙刚爆炸时的温度，但是那些小粒子却不能通过常规的科学手段进行观察，因此，需要一双特别的“眼睛”来探测这些高能小粒子。闪烁晶体能在高能粒子（X射线或γ射线等）的辐射下发出可见光，与其他荧光材料（如荧光粉）不同，闪烁晶体是巨大的单晶体，它所发出的荧光能透过材料本身，而其他荧光材料只是粉末状的微晶，不透光。因此，闪烁晶体可测量入射粒子的能量和位置，可作为探测高能粒子的“眼睛”。

BGO晶体由于具有密度大、化学稳定性好、不溶于水或有机溶剂、机械强度高等优良性能，是一种理想的闪烁晶体材料。生长高质量BGO晶体必须具备以下条件：高纯原料，严格配比，苛刻的生长环境，氧化气氛。目前BGO单晶体主要通过提拉法和坩埚下降法生长。图1是用以单晶生长的提拉法示意图。自1965年第一根GBO单晶成功生长以来，BGO晶体经历了跨越式发展，不仅在高能物理、核医学成像领域有广泛应用，在核燃料扫描、地质勘探等方面也有重要作用。

二十世纪八十年代，欧洲核子研究中心开始建造当时世界上能量最高的正负电子对撞机（Large Electron-Positron collider，简称LEP）。LEP位于瑞士和法国边界，周长27公里，包括ALEPH、DELPHI、L3和OPAL四个大型实验设施。其中，L3是进行宇宙线缪子和推断大气中微子能谱的精确测量装置，由著名美籍华裔科学家丁肇中教授负责。L3的核心部件是电磁量能器，用以探测高能粒子和探索宇宙形成时的奥秘。要求闪烁晶体不仅具有高密度、快衰减和高抗辐照性，还需要价格低廉、批量生产、尺寸巨大。因此，只有性能优良的高质量、大尺寸BGO晶体（图2）满足其要求。通过克服坩埚漏料、成分不均匀等技术难题，在改进的坩埚下降工艺技术的基础上，中国科学院上海硅酸盐研究所成功实现了高质量、大尺寸BGO晶体的批量化生产，为欧洲核子中心和GE公司等科研生产机构提供了大量的高质量BGO晶体，在国际上赢得了相当高的荣誉。

信息、能源和材料构筑了我们的现代化生活和优越的社会环境，而材料尤为重要，可以这么说，人类的发展历史就是一部材料的使用和开发史。现代科技的发展必定离不开新材料，人工晶体作为一种高技术的新型功能材料，能够极大地促进科技发展和社会进步。BGO晶体的发现和应用就是一个很好的例子。随着BGO单晶生长工艺的成熟，通过进一步改善性能和提高质量，BGO晶体将在上转换发光、激光等新领域具有潜在应用。

图1 提拉法生长单晶示意图

图2 高质量、大尺寸BGO晶体