晶光闪烁忆巨擘(杜 勇)
2015年12月17日,酒泉卫星发射中心,长征二号丁运载火箭划破长空,“中国科学院空间科学先导专项”首发星——世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星“悟空”发射成功。人们不禁要问:为什么中国能做出这样的卫星?中科院国家空间科学中心主任吴季:“因为我国有最好的晶体生产能力,即有60 cm长的BGO(锗酸铋)晶体,这样就能把探测器面积做得很大,而这么长的BGO晶体,只有中科院上海硅酸盐所能做出来。”
成功绝非一蹴而就,厚积方可薄发。作为新时代的BGO晶体人,我们深知这一成果的取得实属不易,两年多的艰苦研发历程,一系列的关键技术、设备创新凝聚了团队成员的心血与智慧。“落其实者思其树,饮其流者怀其源。”我们更加对严东生先生和殷之文先生领导的BGO晶体奠基一代充满无限的崇敬,正是他们的卓越贡献,为今日的硕果奠定了坚实的基础。殷之文先生具体领导、参与了BGO闪烁晶体的研究和开发,研制成功高抗辐照能力的掺铕(Eu)BGO晶体,确定了我国闪烁晶体的世界领先地位。今年恰逢殷之文先生百年诞辰,谨以此文简要回顾先生与BGO晶体的闪烁情缘,缅怀先生的高尚品德和卓越风范。
时光回溯,20世纪80年代初期,诺贝尔物理奖得主、美籍华裔科学家丁肇中教授为建造当时世界最大的正负电子对撞机而犯愁,因其所需的BGO晶体质量要求高 、数量多(12000根,重约10吨)、尺寸大而不规则。当时,国际上没有一个能满足这样要求的单位。时任中科院副院长兼上海硅酸盐所所长严东生院士意识到能参与这次举世瞩目的科学大工程的重要意义,毅然接受了丁肇中教授的帮助请求,并成立了由殷之文先生任组长,何崇藩、薛志麟为副组长的BGO晶体中试组。殷之文先生不惧困难,勇挑重担,领导奠基一代BGO晶体人敬业钻研、尽心尽力、勇于开拓,克服了中试生产不稳定、成品率低、任务繁重和时间紧迫等种种不利条件,进行工艺技术改进、创新,历时5年,保质保量提前4个月完成了12000根高质量的BGO大晶体的任务,创汇1200万美元,在国际上获得很高声誉。丁肇中教授和德国科学家罗兰(Loren)教授曾赞誉中国的BGO大晶体尺寸世界第一、光学质量世界第一。
抗辐照损伤是所有闪烁晶体在应用中都要考虑的一大命题。在BGO闪烁晶体的研究中,殷之文先生发现杂质离子是“罪魁祸首”,因为它们可以被剥离的价电子,又碰巧被氧缺位“捕获”,从而造成了晶体的辐照损伤。殷之文先生没有通过传统的提纯办法去除杂质离子,而是逆向思维、勇于突破,来了个“回马枪”,寻找一种“争夺”电子能力比氧缺位更强的物质。经过反复实验,他终于找到了“贪婪”的铕,研制成功高抗辐照能力的掺铕BGO晶体。殷之文先生更是通过十多年的研究,对氧化物和卤化物两大类晶体的辐照损伤机制提出创新性的认识,在晶体的抗辐照实践中,证实这一规律的指导作用和适应性,丰富了晶体学研究的基础理论,进而研究开发了氟化钡(BaF2)、氟化铈(CeF3)、碘化铯(CsI)和钨酸铅(PbWO4)等一系列新型闪烁晶体,确定了我国在闪烁晶体研究方面的国际领先地位。
20世纪90年代,高能物理研究对BGO晶体的需求急剧下降,急需开拓新的应用领域。殷之文先生在接待来访的美国Leverson博士时,敏锐抓住正电子层析扫描仪(PET)市场发展的历史机遇,将BGO晶片组装成PET器件BLOCK提供给美国公司,从此奠定了BGO晶体的产业化基础。时至今日,历经数代BGO晶体人的不懈努力,突破了核医学成像(PET)用高质量和高性能BGO晶体的关键制备技术,实现了高效率和低成本量产制备,二十多年来持续占据全球PET用BGO晶体85%以上的市场份额,创造了巨大的社会效益和经济效益。
回顾殷先生的科学成就,无论是基础理论研究,还是新材料和新工艺的研究和研制、科技应用与开发等方面,都是硕果累累,BGO晶体只不过是百花园中鲜艳的一朵。过去,殷先生是领航人,带领着奠基一代的BGO晶体人攻坚克难、开疆辟土;今天,他是创新一代BGO晶体人心中的灯塔,他的科学精神感召和激励着我们砥砺奋进、继往开来。
我们深切缅怀殷之文先生,更要学习他科技报国的爱国情怀。1950年,正值而立之年的殷先生,抱着“一种朴素的爱国主义思想”,毅然放弃国外的优越条件,万里迢迢奔向祖国母亲的怀抱,从此沉浸在祖国的科研事业中,奉献一生。我们要学习殷之文先生敢为人先、追求卓越的创新精神。翻阅殷先生的资料可以发现,殷先生从小就喜欢求新求异,每解完一道题,总会问自己,还有别的办法吗?找到新的解法,就欣喜若狂。投身科研后,他努力推动学科建设,不断作出原创性、突破性和关键性的科学成果。开拓创新,思路变通,可以说是贯穿他一生的鲜明特点。我们还要继承殷之文先生推动基础研究与应用研究紧密结合、研以致用的传统。殷先生非常强调科研应紧密结合国家需要,从实际中来,深入调研,应集中力量攻关,完成任务后,应力求推广应用。他曾经指出,在商品经济的刺激下许多人只看重短期效益,捞到算数,长期利益看得少, 不肯花很大的后劲。为了克服这一弊端,他通过发展“ 中试基地”,培养大量中试人才,为实验室走向产业化作好准备工作, 这个“ 桥梁工程” 对发展我国高科技产业作用巨大。
2017年11月29日,BGO晶体经历严苛的实践检验,依然在广袤的宇宙中晶光闪烁,助力 “悟空”获得世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。Nature在线发表这一成果后,白春礼院长说:“悟空”的重大发现,显示中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。2018年7月12日,丁肇中教授向中国国家博物馆捐赠在欧洲核子研究中心正负电子对撞机上进行高能物理实验(即L3实验)用BGO晶体(10根),BGO晶体将永远镌刻于中国乃至世界的科学史上。截至今日,创新一代的BGO晶体人持续突破超大、超长BGO晶体制备中的一系列关键技术瓶颈,牢牢掌握着公开报道最长BGO晶体、单体面积最大BGO晶体的世界纪录。“遥隔彩云闻笑声”,如果能看到这一切,乐观旷达的殷之文先生,为人敬仰的Prof. Laugh,一定会像他生前那样,发出朗朗的欢笑 — 他将在自己热爱的事业中永生!