走向世界的新型閃爍晶體

走向世界的新型閃爍晶體

夏期明

所謂閃爍晶體，就是當高能粒子射線照射到晶體上時，在晶體中能發出一定波長的閃爍螢光。經光電轉換系統和電子設備，最終可確定粒子的能量。中國科學院上海矽酸鹽研究所，通過知識創新先後研製開發了鍺酸鉍(BGO)、氟化鈰(CeF3)、氟化鋇(BaF2)、摻鉈碘化銫(CsI)、鎢酸鉛(PWO)等閃爍晶體。以上幾種新型閃爍晶體經多次國際檢測，獲多項世界第一。如鍺酸鉍晶體獲質量、尺寸世界第一，鎢酸鉛晶體發光量及其綜合性能世界第一，氟化鋇晶體優質與大尺寸世界第一，氟化鈰晶體光輸出與均勻性世界第一，摻鉈碘化銫晶體抗輻射性能世界第一。

以上五種新型閃爍晶體以其優良的閃爍性能在高能物理、核物理、天體物理、放射醫療、地質石油勘探等領域有廣泛應用。上海矽酸鹽所的閃爍晶體大量用於高能物理方面的正負電子對撞機、強子對撞機、B–Factory等大型電磁量能器的探測材料以及核醫療方面的正電子層折掃描儀。

上述新型閃爍晶體的研究，開發生產是在該所名譽所長嚴東生院士、殷之文院士和郭景坤院士的直接領導與組織下，以及時任該所副所長戴元超、方軒朗與主要領軍人物何崇藩（晶體研究主任、研究員）、範世琪（研究員）、廖晶瑩（研究員）、沈定中（研究員）、胡關欽（研究員）等率領的有關團隊攻關會戰、知識創新、解放思想、開拓創新、發揚團隊精神、齊心協力攻關所取得的。1986 年11月，時任中共中央總書記胡耀邦巡視該所題字「新材料要走向世界」。上海矽酸鹽研究所正是這樣做的。

　

　 嚴東生、丁肇中、郭景坤合影

一、五種新型閃爍晶體

1 、鍺酸鉍(BGO)閃爍晶體

BGO 閃爍晶體，具有大的有效原子係數，高密度。短的螢光餘輝、物理、化學穩定性好，是建造高能物理探測器中電磁量能器的優選材料之一，在核醫學、空間物理地質勘探、核電子學等方面有著廣泛的應用。

該所1978 年配合我國重點項目X 射線斷層掃描儀(XCT)研製，承擔BGO晶體研製任務，1979年研製成功，並用於我國第一臺XCT樣機。

20世紀80年代初期，歐洲核子研究中心(CERN)準備建造世界上最大的正負電子對撞機，1981年CERN以丁肇中教授為首的LEP3合作組提出選用BGO晶體建造電磁量能器，該合作組不僅要求晶體尺寸大 (3x3x24cm)、數量多（12000根，重約10噸）,不僅要求光學和閃爍性能好，而且要價格低廉。1983年諾貝爾物理獎得主、美籍華裔科學家丁肇中教授為當時建造大型電子對撞機所需使用大量BGO閃爍晶體而犯愁，當他見到時任中科院副院長兼上海矽酸鹽所所長嚴東生院士後，迫切想得到嚴院士的幫助。他希望中科院能提供總數超過1萬根的大尺寸優質BGO晶體。嚴院士意識到能參與這次舉世矚目的科學大工程的重要意義，毅然接受了對方的請求。

當時該所實驗室科研人員雖然成功研製出小尺寸的樣品，但要生產出大尺寸、性能優良的晶體材料，按當時國際、國內外條件很難實現。嚴院士經過分析，認為如果改變晶體生長方案，是有可能實現這一目標的。在嚴院士的領導與組織下，經過他組織團隊的全力拚搏，克服了重重困難，通過一年實驗研究，30釐米長、性能優良大尺寸的晶體材料在該所誕生了。當時美、日、法有關公司也在緊鑼密鼓竟相研製，在1983年3月經CERN各項性能的比較測試中，矽酸鹽所的BGO晶體名列榜首，獲得兩個世界第一，即晶體質量第一，尺寸第一。同年9月CERN對美、日、法和矽酸鹽所BGO晶體再次進行對比測試，評價結果指出：螢光效率、能量解析度和光衰減這三項最重要指標，均是矽酸鹽所晶體位居第一。大長中國在晶體材料領域的聲望。在此基礎上，該所和LEP3組籤訂了合同。經過兩年的努力完成了從實驗室成果到大尺寸(3.5x70x250mm)批量生產的開發工作，保證批量晶體的質量與成品率，成為世界上BGO晶體生產規模最大，質量可靠，最有信譽的單位。至1988年，該所提前半年完成歐洲核子研究中心電磁量能器所需要的12000根總重量12噸BGO大單晶的任務，高純度大單晶以噸為單位計是很少見的。這一成就不僅使矽酸鹽所揚名國際，也為中國科學院在高技術材料研究開發中起到有效的孵化器作用，在國內外贏得了信譽。正如丁肇中教授所講的：「要BGO晶體，到中國科學院上海矽酸鹽研究所去!」在隨後CERN召開的一次有數百名來自世界各國科學家參加的LEP3實驗組全體大會上，嚴院士應丁肇中教授的邀請，作了一小時的演講，全面介紹上海矽酸鹽所晶體取得的成就與對LEP3項目所作的貢獻，精彩雋永的演講，博得了全場陣陣掌聲，使國外科技界對中國取得的成就刮目相看。

這次成功合作之後，CERN美國史丹福大學直線加速器中心(SLAC)和日本高能物理所(KEK)等世界各個著名研究機構紛紛踏來，希望藉助矽酸鹽所的力量幫助他們完成各項具有突破性的科學研究。

殷之文院士與美國公司籤訂BGO晶體製造正電子層析掃描儀用BGO晶體組裝成PET器BLOCK提供給該公司，由於直接給客戶供應器件，不僅晶體質量好，而且供貨及時，因而在多家公司的競爭中得到該公司90％以上的晶體訂單。

上海矽酸鹽所BGO晶體的研究開發項目，榮獲國家發明一等獎，國家科技進步一等獎,「八五」科技攻關獎，首屆「億利達」科技獎，全國第二屆發明展覽會金牌獎和十五屆國際發明和新技術展覽金牌獎等。

何崇藩、範世琪與鍺酸銘晶體

2 、鎢酸鉛(PWO)晶體

20世紀90年代初，西歐核子研究中心(CERN)規劃建造新一代舉世矚目的強子對撞機LHC。這是一臺超高能量、高流強的質子―質子對撞機，對撞機的重要組成部分是由強抗幅能力和高分辨能力的閃爍材料組成的，具有極高探測精度的電磁量能器。鎢酸鉛晶體被選為新一代電磁量能器用閃爍晶體材料。

CERN為解決電磁量能器（ECAL）所需的PWO晶體，於1994年提出與該所再次合作要求。在嚴東生、殷之文兩院士領導與組織下，開展PWO晶體研製工作。

經過數年努力，克服重重難題，至1999年，該所具備了PWO晶體批量生產能力，為美國傑弗森實驗室CEBAF工程提供了所需的1250根晶體。此後美國費米實驗室、日本高能物理國家實驗室（KEK）、義大利國家核物理所（INFN）、德國離子與反質子加速器等多名國際知名科研機構或項目，慕名向該所提出訂貨需求。

2003年，CERN鑑於與該所的長期合作關係，至2008年3月該所向CERN提供了5000餘根高性能大尺寸PWO晶體，重量為7.6噸、體積為0.92M3，創造了良好的經濟效益。

PWO晶體，榮獲2007年國家發明二等獎，2006年上海市技術發明一等獎，第十屆中國專利獲優秀獎，2007年上海國際工業博覽會金銀獎，「坩堝下降法生長鎢酸鉛大單晶的製備方法」專利，獲2007年中國發明專利優秀獎，2008年獲歐洲核子中心頒發的CMS Crystal Award （該獎項旨在表彰CMS建設作出重大創造性貢獻的機構）。

2008年1月8日，2007年度國家科學技術獎勵大會在北京人民大會堂隆重舉行，鎢酸鉛晶體課題組長廖晶瑩研究員作為項目代表出席了獎勵大會，受到胡錦濤、溫家寶等黨和國家領導人的親切接見，併合影留念。

在與CERN的成功合作的基礎上，正在進一步與國際高能物理和醫療設備研究企業合作，開拓與探索PWO 晶體在高能物理和核醫學成像設備等領域的更廣闊應用。

嚴東生、殷之文陪同義大利外賓參觀鎢酸鉛晶體

鎢酸鉛晶體	廖晶瑩等進行鎢酸鉛晶體生長的準備工作

3 、氟化鋇（BaF2）晶體

BaF2晶體不僅是最具抗幅照的無機閃爍體，而且是最快的閃爍體。

該所參加美國超導超級對撞機實驗室L*合作組及GEM合作組對BaF2晶體進行研究。美國布魯海文國家實驗室相對論重離子對撞機實驗組要求該所提供3.5x3.5x3.5cm BaF2大晶體用來製造高解析度探測器，該所在優質、大尺寸BaF2晶體生長上居中國際領先地位。

該所還為比利時布魯塞爾Vrije 大學核儀器實驗室提供3x3x20mm3BaF2晶體近4000 根，供該實驗室製造正電子發射斷層掃描儀（PET）。該所向日本浜松公司三次提供PET探測器用的BaF2晶體。

上海恆久光學元件廠用該所提供的BaF2晶體製作醫療用CO₂雷射器窗口，安裝了數百臺10-15W CO₂雷射器，深受用戶好評。

4 、氟化鈰氟化鈰(CeF3)晶體

CeF3晶體被歐洲核子研究中心（CERN）確定為大型強子對撞機LHC探測器的主要候選材料。1991年丁肇中教授建議矽酸鹽所和瑞士蘇黎世高等工學院高能物理研究所合作研製CeF3晶體。

該所對原料、工藝、晶體缺陷進行系統研究後，生長出國際上最長（310mm）優良CeF3晶體，先後向CERN、歐洲共同體、美、日等國提供43根CeF3晶體。從CERN 返回信息，該所的CeF3晶體在發光量、均勻性這兩個關鍵指標均優於日本、捷克、美國公司的CeF3晶體。

氟化鋇、氟化飾晶體

5 、摻鉈碘化銫(CsI（T1）)晶體

CsI（T1）是一種重要的無機閃爍體，其發光率高，光輸出可達NaI(T1)的85% ，發光峰值為550mm…… ，其在高能物理、核物理、天體物理、醫療儀器、安全檢查方面有著廣泛的用途。

日本高能物理所(KEK)、美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)的B-Factory 工程選用CsI（T1）晶體作為建設Belle和BaBar的電磁量能器。

KEK、SLAC於1993年底向嚴東生、殷之文提出為其電磁量能器提供CsI（T1）晶體。SLAC與該所的協議納入中國國家科委與美國能源部制定的關於高能物理合作研究協議。從1994年起，經兩年多時間的研發，圓滿完成合作研究協議要求。該所為KEK、SLAC的兩大B-Factory工程共提供近18噸的大尺寸CsI（T1）晶體，受到美國和日本方面的一致好評。

國際上能生產大尺寸CsI（T1）晶體的有法國Crismatec公司、俄國的Khar』kov和矽酸鹽所三家，經美國加洲理工學院和日本高能物理所對三家生產的CsI（T1）晶體測試，結果表明，矽酸鹽所生產的CsI（T1）晶體的光輸出均勻性和其他兩家基本處於同一水平，而晶體的抗輻照性能優於他們，居領先水平。

該所的CsI（T1）晶體，榮獲1998年上海市科委火炬獎，1997年中科院發明二等獎，1998年國家發明二等獎，第一屆中國專利優秀獎。北京正負電子對撞機大科學標誌性工程，提高對撞機性能。進一步探索微觀世界的奧秘創造條件。

以上五種閃爍晶體都是在老一輩科學家嚴東生、殷之文先生的卓越領導與精心組織及其團隊一致合作下的取得的，由矽酸鹽所為電磁量能器、強子對撞機提供了數十噸閃爍晶體，該所廣大科技人員以知識創新、機制創新、解放思想、發揚團隊精神，齊心協力攻關出色地完成了一個又一個任務，交出了一個出色的答卷，體現了中華民族自強、自信精神，顯示了我國的科技實力，為國家爭得了榮譽。

二、人才茁壯成長

嚴東生、殷之文兩位院士不僅是傑出的科學家，也是科技戰線上德才兼備的卓越的領導者與組織者。他們作為新型閃爍晶體研究、開發總負責人，嚴於律己、工作務實、平易近人、和諧共事，其人品有口皆碑，深受科技人員敬重。在親自領導與組織研究、中試生產新型閃爍晶體中，他們博學厚德，敬業樂群，嚴謹求實，勇於探索攀高，領導該所大膽與參與承接國際重大科學工程項目研究新型閃爍晶體，培養了一批這方面領軍人員和骨幹力量。

無論是晶體生長、設備改造、鉑金加工、晶體加工還是測試、質量管理方面，調動與組織力量攻克了一個又一個困難，解決一樁又一樁難題，這支隊伍有百餘人，培養了一大批青年科技骨幹，培養了一大批科研人才，並鍛鍊出一支善於攻關的科研隊伍，成長了一批高新技術中試生產的管理與生產隊伍。

該所先後派薛傑麟、李培俊、範世琪、廖晶瑩等9人到CERN參與科研工作（每人次1年左右），及時聯繫溝通CERN與該所信息，使雙方工作緊密聯繫。

上海矽酸鹽所新型閃爍晶體20多年長盛不衰，興旺向上與知識創新、技術創新密切相關，其不斷前進，主要是新人脫穎而出，使其後續有人。