闪烁中国智慧的BGO晶体 | 科技自立自强之路

“叮铃铃铃……”1985年的一个冬夜中国科学院上海硅酸盐研究所（以下简称上海硅酸盐所）原副所长殷之文最“怕”的电话又打过来了诺贝尔奖得主、著名物理学家丁肇中问他：“晶体长得怎么样啦？”
时间倒流回1982年丁肇中专门拜访中国科学院提出了一个非同寻常的要求他正在欧洲核子研究中心（CERN）主持建造大型正负电子对撞机其中有一个重要探测器——“L3实验”需要使用12000根锗酸铋（BGO）闪烁晶体每根晶体长度达到24厘米用于检测不可见的高能粒子和射线

▲L3实验装置。

24厘米这个数字远超当时世界上已有BGO晶体的长度晶体不像陶瓷、玻璃等想做多大、做成什么形状都可以它们就像庄稼一样从一颗小小的晶体“种子”开始在适宜的环境下，按照特定速度生长最理想的情况下BGO晶体长到24厘米也需要20多天稍有风吹草动就会前功尽弃
要不要迎难而上呢？中国科学院给出的答案是肯定的上海硅酸盐所承接了这项重任考虑传统提拉法制造的BGO晶体尺寸较小且质量欠佳该所何崇藩课题组曾在人工合成云母时发展出的多坩埚下降法或许可以一试
在何崇藩力荐下时年40岁的范世𩥉放弃出国机会决定大干一场当时正值盛夏周围电炉的核心温度高达1300℃热量透过重重隔热层辐射出来范世𩥉一手图纸一手工具在1×2米的空炉壳里砌砖两只眼镜片被灰尘蒙得黑乎乎的

▲何崇藩（左）、范世𩥉（右）与24厘米长大尺寸BGO晶体。

BGO晶体熔点很高昂贵的铂金坩埚是唯一选择上海硅酸盐所东拼西凑斥巨资购入刚刚够用的铂金当时坩埚渗漏问题困扰着各国科学家一旦发生渗漏滚烫的溶液就像火山爆发一样汩汩涌出前期所有心血都会瞬间毁于一旦
范世𩥉整日苦思冥想、多方求助终于找到一个破局方案他们先熔炼铂金让导致坩埚脆裂的杂质充分挥发将铂金重新塑造成坩埚再使用两层坩埚叠加保证剩余渗漏点难以重叠凭借令人叫绝的“土办法”BGO晶体成品率随之迅速提升到约85%

▲L3用24厘米长大尺寸BGO单晶研究团队。

按照合同约定从1985年1月起上海硅酸盐所每月要长出100根BGO晶体而实际上到1985年年底，他们仅能拿出100根还存在很多缺陷担任开发实验基地经理的殷之文调查后判断主要问题可能出在进口原料上殷之文耐心地与多方交涉CERN终于同意改用中国原料
然而情况并没有很大好转在多方压力下殷之文亲自带队到生产原料的厂家终于发现问题所在原来厂家在配制原料时将原来的石英玻璃坩埚换成了搪瓷缸高温下搪瓷缸表面釉层脱落大量铅离子、铁离子进入原料在厂方改变工艺设备后中试取得重大突破
1986年4月当月生产400多根优质晶体成品率从35%急增到80%以上1990年4月上海硅酸盐所提前半年完成生产任务一时间名扬国际丁肇中竖起大拇指：“要BGO晶体就到中国科学院上海硅酸盐研究所去！”

▲殷之文（右二）陪CERN负责人参观上海硅酸盐所陈列室。

随着时代发展BGO晶体应用场景进一步拓展向着一系列前沿领域进发
20世纪末正电子湮灭断层扫描（简称PET）成为医学领域的新星美国通用电气公司邀请上海硅酸盐所研发PET扫描仪所需的高质量BGO晶体新组建的团队全面革新生长工艺和管理模式BGO晶体尺寸、质量、性能和一致性得到了质的提高由此，上海硅酸盐所正式迈入“核医学”时代其研制的BGO晶体还长期供货于国内龙头企业
2015年12月17日“悟空”号暗物质粒子探测卫星发射升空在这颗卫星的最核心位置整齐排列着308根BGO晶体每一根的长度都达到史无前例的60厘米最初人们认为这是不可能实现的目标研发团队迎难而上原创出“四温区多坩埚晶体生长炉”至今上海硅酸盐所依然保持该晶体长度的世界纪录也是世界上唯一一家能研制并批量制备该长度BGO晶体的机构他们的努力让“悟空”号如期发射成为可能让我国空间天文科学家抓住了空间暗物质探测最佳时间窗口

▲60厘米长大尺寸BGO晶体研究团队成员（部分）。

BGO晶体的“生长”之路一直伴随着种种难以想象的困难上海硅酸盐所充分发挥有组织、体系化、建制化优势从基础研究到精耕细作再到扩大生产多兵种协同作战，全链条环环相扣一次又一次创造了奇迹
一代材料、一代装备、一代应用——上海硅酸盐所正积极响应时代需求为以BGO晶体为代表的各种先进材料探索更广阔的应用空间在讲述BGO晶体的故事时上海硅酸盐所党委书记王东不止一次感叹：“材料永生！”

▲不同形状、尺寸的BGO晶体、阵列和探测器件。

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来源：中国科学报

责任编辑：曹旸