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走向世界的新型闪烁晶体

发布时间:2021-03-02 16:58 作者:job竞博官网

  所谓闪烁晶体,就是当高能粒子射线照射到晶体上时,在晶体中能发出一定波长的闪烁荧光。经光电转换系统和电子设备,最终可确定粒子的能量。中国科学院上海硅酸盐研究所,通过知识创新先后研制开发了锗酸铋(BGO)、氟化铈(CeF3)、氟化钡(BaF2)、掺铊碘化铯(CsI)、钨酸铅(PWO)等闪烁晶体。以上几种新型闪烁晶体经多次国际检测,获多项世界第一。如锗酸铋晶体获质量、尺寸世界第一,钨酸铅晶体发光量及其综合性能世界第一,氟化钡晶体优质与大尺寸世界第一,氟化铈晶体光输出与均匀性世界第一,掺铊碘化铯晶体抗辐射性能世界第一。

  以上五种新型闪烁晶体以其优良的闪烁性能在高能物理、核物理、天体物理、放射医疗、地质石油勘探等领域有广泛应用。上海硅酸盐所的闪烁晶体大量用于高能物理方面的正负电子对撞机、强子对撞机、B–Factory等大型电磁量能器的探测材料以及核医疗方面的正电子层折扫描仪。

  上述新型闪烁晶体的研究,开发生产是在该所名誉所长严东生院士、殷之文院士和郭景坤院士的直接领导与组织下,以及时任该所副所长戴元超、方轩朗与主要领军人物何崇藩(晶体研究主任、研究员)、范世琪(研究员)、廖晶莹(研究员)、沈定中(研究员)、胡关钦(研究员)等率领的有关团队攻关会战、知识创新、解放思想、开拓创新、发扬团队精神、齐心协力攻关所取得的。1986 年11月,时任中共中央总书记巡视该所题字“新材料要走向世界”。上海硅酸盐研究所正是这样做的。

  BGO 闪烁晶体,具有大的有效原子系数,高密度。短的荧光余辉、物理、化学稳定性好,是建造高能物理探测器中电磁量能器的优选材料之一,在核医学、空间物理地质勘探、核电子学等方面有着广泛的应用。

  该所1978 年配合我国重点项目X 射线断层扫描仪(XCT)研制,承担BGO晶体研制任务,1979年研制成功,并用于我国第一台XCT样机。

  20世纪80年代初期,欧洲核子研究中心(CERN)准备建造世界上最大的正负电子对撞机,1981年CERN以丁肇中教授为首的LEP3合作组提出选用BGO晶体建造电磁量能器,该合作组不仅要求晶体尺寸大 (3x3x24cm)、数量多(12000根,重约10吨),不仅要求光学和闪烁性能好,而且要价格低廉。1983年诺贝尔物理奖得主、美籍华裔科学家丁肇中教授为当时建造大型电子对撞机所需使用大量BGO闪烁晶体而犯愁,当他见到时任中科院副院长兼上海硅酸盐所所长严东生院士后,迫切想得到严院士的帮助。他希望中科院能提供总数超过1万根的大尺寸优质BGO晶体。严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,毅然接受了对方的请求。

  当时该所实验室科研人员虽然成功研制出小尺寸的样品,但要生产出大尺寸、性能优良的晶体材料,按当时国际、国内外条件很难实现。严院士经过分析,认为如果改变晶体生长方案,是有可能实现这一目标的。在严院士的领导与组织下,经过他组织团队的全力拚搏,克服了重重困难,通过一年实验研究,30厘米长、性能优良大尺寸的晶体材料在该所诞生了。当时美、日、法有关公司也在紧锣密鼓竟相研制,在1983年3月经CERN各项性能的比较测试中,硅酸盐所的BGO晶体名列榜首,获得两个世界第一,即晶体质量第一,尺寸第一。同年9月CERN对美、日、法和硅酸盐所BGO晶体再次进行对比测试,评价结果指出:荧光效率、能量分辨率和光衰减这三项最重要指标,均是硅酸盐所晶体位居第一。大长中国在晶体材料领域的声望。在此基础上,该所和LEP3组签订了合同。经过两年的努力完成了从实验室成果到大尺寸(3.5x70x250mm)批量生产的开发工作,保证批量晶体的质量与成品率,成为世界上BGO晶体生产规模最大,质量可靠,最有信誉的单位。至1988年,该所提前半年完成欧洲核子研究中心电磁量能器所需要的12000根总重量12吨BGO大单晶的任务,高纯度大单晶以吨为单位计是很少见的。这一成就不仅使硅酸盐所扬名国际,也为中国科学院在高技术材料研究开发中起到有效的孵化器作用,在国内外赢得了信誉。正如丁肇中教授所讲的:“要BGO晶体,到中国科学院上海硅酸盐研究所去!”在随后CERN召开的一次有数百名来自世界各国科学家参加的LEP3实验组全体大会上,严院士应丁肇中教授的邀请,作了一小时的演讲,全面介绍上海硅酸盐所晶体取得的成就与对LEP3项目所作的贡献,精彩隽永的演讲,博得了全场阵阵掌声,使国外科技界对中国取得的成就刮目相看。

  这次成功合作之后,CERN美国斯坦福大学直线加速器中心(SLAC)和日本高能物理所(KEK)等世界各个著名研究机构纷纷踏来,希望借助硅酸盐所的力量帮助他们完成各项具有突破性的科学研究。

  殷之文院士与美国公司签订BGO晶体制造正电子层析扫描仪用BGO晶体组装成PET器BLOCK提供给该公司,由于直接给客户供应器件,不仅晶体质量好,而且供货及时,因而在多家公司的竞争中得到该公司90%以上的晶体订单。

  上海硅酸盐所BGO晶体的研究开发项目,荣获国家发明一等奖,国家科技进步一等奖,“八五”科技攻关奖,首届“亿利达”科技奖,全国第二届发明展览会金牌奖和十五届国际发明和新技术展览金牌奖等。

  20世纪90年代初,西欧核子研究中心(CERN)规划建造新一代举世瞩目的强子对撞机LHC。这是一台超高能量、高流强的质子―质子对撞机,对撞机的重要组成部分是由强抗幅能力和高分辨能力的闪烁材料组成的,具有极高探测精度的电磁量能器。钨酸铅晶体被选为新一代电磁量能器用闪烁晶体材料。

  CERN为解决电磁量能器(ECAL)所需的PWO晶体,于1994年提出与该所再次合作要求。在严东生、殷之文两院士领导与组织下,开展PWO晶体研制工作。

  经过数年努力,克服重重难题,至1999年,该所具备了PWO晶体批量生产能力,为美国杰弗森实验室CEBAF工程提供了所需的1250根晶体。此后美国费米实验室、日本高能物理国家实验室(KEK)、意大利国家核物理所(INFN)、德国离子与反质子加速器等多名国际知名科研机构或项目,慕名向该所提出订货需求。

  2003年,CERN鉴于与该所的长期合作关系,至2008年3月该所向CERN提供了5000余根高性能大尺寸PWO晶体,重量为7.6吨、体积为0.92M3,创造了良好的经济效益。

  PWO晶体,荣获2007年国家发明二等奖,2006年上海市技术发明一等奖,第十届中国专利获优秀奖,2007年上海国际工业博览会金银奖,“坩埚下降法生长钨酸铅大单晶的制备方法”专利,获2007年中国发明专利优秀奖,2008年获欧洲核子中心颁发的CMS Crystal Award (该奖项旨在表彰CMS建设作出重大创造性贡献的机构)。

  2008年1月8日,2007年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重举行,钨酸铅晶体课题组长廖晶莹研究员作为项目代表出席了奖励大会,受到、等党和国家领导人的亲切接见,并合影留念。

  在与CERN的成功合作的基础上,正在进一步与国际高能物理和医疗设备研究企业合作,开拓与探索PWO 晶体在高能物理和核医学成像设备等领域的更广阔应用。

  该所参加美国超导超级对撞机实验室L*合作组及GEM合作组对BaF2晶体进行研究。美国布鲁海文国家实验室相对论重离子对撞机实验组要求该所提供3.5x3.5x3.5cm BaF2大晶体用来制造高分辨率探测器,该所在优质、大尺寸BaF2晶体生长上居中国际领先地位。

  该所还为比利时布鲁塞尔Vrije 大学核仪器实验室提供3x3x20mm3BaF2晶体近4000 根,供该实验室制造正电子发射断层扫描仪(PET)。该所向日本浜松公司三次提供PET探测器用的BaF2晶体。

  上海恒久光学元件厂用该所提供的BaF2晶体制作医疗用CO2激光器窗口,安装了数百台10-15W CO2激光器,深受用户好评。

  CeF3晶体被欧洲核子研究中心(CERN)确定为大型强子对撞机LHC探测器的主要候选材料。1991年丁肇中教授建议硅酸盐所和瑞士苏黎世高等工学院高能物理研究所合作研制CeF3晶体。

  该所对原料、工艺、晶体缺陷进行系统研究后,生长出国际上最长(310mm)优良CeF3晶体,先后向CERN、欧洲共同体、美、日等国提供43根CeF3晶体。从CERN 返回信息,该所的CeF3晶体在发光量、均匀性这两个关键指标均优于日本、捷克、美国公司的CeF3晶体。

  CsI(T1)是一种重要的无机闪烁体,其发光率高,光输出可达NaI(T1)的85% ,发光峰值为550mm…… ,其在高能物理、核物理、天体物理、医疗仪器、安全检查方面有着广泛的用途。

  日本高能物理所(KEK)、美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的B-Factory 工程选用CsI(T1)晶体作为建设Belle和BaBar的电磁量能器。

  KEK、SLAC于1993年底向严东生、殷之文提出为其电磁量能器提供CsI(T1)晶体。SLAC与该所的协议纳入中国国家科委与美国能源部制定的关于高能物理合作研究协议。从1994年起,经两年多时间的研发,圆满完成合作研究协议要求。该所为KEK、SLAC的两大B-Factory工程共提供近18吨的大尺寸CsI(T1)晶体,受到美国和日本方面的一致好评。

  国际上能生产大尺寸CsI(T1)晶体的有法国Crismatec公司、俄国的Khar’kov和硅酸盐所三家,经美国加洲理工学院和日本高能物理所对三家生产的CsI(T1)晶体测试,结果表明,硅酸盐所生产的CsI(T1)晶体的光输出均匀性和其他两家基本处于同一水平,而晶体的抗辐照性能优于他们,居领先水平。

  该所的CsI(T1)晶体,荣获1998年上海市科委火炬奖,1997年中科院发明二等奖,1998年国家发明二等奖,第一届中国专利优秀奖。北京正负电子对撞机大科学标志性工程,提高对撞机性能。进一步探索微观世界的奥秘创造条件。

  以上五种闪烁晶体都是在老一辈科学家严东生、殷之文先生的卓越领导与精心组织及其团队一致合作下的取得的,由硅酸盐所为电磁量能器、强子对撞机提供了数十吨闪烁晶体,该所广大科技人员以知识创新、机制创新、解放思想、发扬团队精神,齐心协力攻关出色地完成了一个又一个任务,交出了一个出色的答卷,体现了中华民族自强、自信精神,显示了我国的科技实力,为国家争得了荣誉。

  严东生、殷之文两位院士不仅是杰出的科学家,也是科技战线上德才兼备的卓越的领导者与组织者。他们作为新型闪烁晶体研究、开发总负责人,严于律己、工作务实、平易近人、和谐共事,其人品有口皆碑,深受科技人员敬重。在亲自领导与组织研究、中试生产新型闪烁晶体中,他们博学厚德,敬业乐群,严谨求实,勇于探索攀高,领导该所大胆与参与承接国际重大科学工程项目研究新型闪烁晶体,培养了一批这方面领军人员和骨干力量。

  无论是晶体生长、设备改造、铂金加工、晶体加工还是测试、质量管理方面,调动与组织力量攻克了一个又一个困难,解决一桩又一桩难题,这支队伍有百余人,培养了一大批青年科技骨干,培养了一大批科研人才,并锻炼出一支善于攻关的科研队伍,成长了一批高新技术中试生产的管理与生产队伍。

  该所先后派薛杰麟、李培俊、范世琪、廖晶莹等9人到CERN参与科研工作(每人次1年左右),及时联系沟通CERN与该所信息,使双方工作紧密联系。

  上海硅酸盐所新型闪烁晶体20多年长盛不衰,兴旺向上与知识创新、技术创新密切相关,其不断前进,主要是新人脱颖而出,使其后续有人。


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