闪烁中国智慧的BGO晶体

▲不同形状、尺寸的BGO晶体、阵列和探测器件。

▲上海硅酸盐所研制和生产的 1.2 万余根大尺寸、高质量 BGO 晶体成功应用于 CERN 正负电子对撞机的电磁量能器。

▲L3实验用24厘米长大尺寸BGO单晶研究团队。

▲何崇藩（左）、范世??与24厘米长大尺寸BGO晶体。

▲殷之文（右二）陪CERN负责人参观上海硅酸盐所陈列室。

▲60厘米长大尺寸BGO晶体研究团队部分成员。

■本报记者 李晨阳 见习记者 江庆龄

“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。

“嘉定中试基地的晶体长得怎么样啦？”电话里传来诺贝尔奖得主、著名物理学家丁肇中关切的声音。当时丁肇中在位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），由于时差缘故，总是“深夜来电”。

殷之文苦恼得很，因为按照和CERN签订的合同，此时他们应该交付1040根锗酸铋（BGO）晶体，但事实上只能拿出来100多根，质量还不完全达标。

时间倒流回1983年9月，CERN公布了各国生产的BGO晶体测评结果，上海硅酸盐所生产的晶体，荧光效率、能量分辨率、光衰减三大关键指标都位列第一。1984年10月，上海硅酸盐所凭借“晶体质量第一”“尺寸第一”的骄人成绩，在同美、日、法等多国团队的激烈竞标中脱颖而出，与CERN正式签订了供货合同。

当时的骄傲和喜悦记忆犹新，而此刻他们却不得不面对严峻的现实——中标只是一个开始，要克服的困难还多着呢。

1 面对大订单，迎难而上

20世纪80年代，放眼各行各业，中国通过竞标拿到的国际大订单寥寥无几。

1982年，早已蜚声国际的丁肇中来到北京，专门拜访中国科学院，并提出了一个特殊的项目需求。

丁肇中在CERN主持建造的大型正负电子对撞机有一个重要探测器——“L3实验”，其电磁量能器需要采用新型BGO闪烁晶体建造。

从外表看，无色透明的BGO晶体与玻璃没什么区别，但它被高能射线照射后，会发出蓝绿色荧光，可以用来检测不可见的高能粒子和射线。

此前，上海硅酸盐所在研制BGO晶体方面有些积累，但这一次，CERN对BGO晶体的要求非同寻常——除了各项性能要非常优越外，长度要达到24厘米，远超当时世界上已有BGO晶体的长度，而且当时全世界BGO晶体只有4公斤左右产量，但“L3实验”却需要12吨。

晶体的“脾性”与陶瓷、玻璃等不同，并不是想做多大、做成什么形状都可以的。专业人员用“长”字形容晶体形成过程，它就像庄稼一样，从一颗小小的晶体“种子”开始，在适宜的环境条件下，按照特定的生长速度，朝偏爱的“方向”生长。一根BGO晶体一天只能长1厘米，最理想的情况下，长到24厘米需要20多天，其间稍微有点风吹草动，就会前功尽弃。

这么难做的晶体，订单一签，就要供应1.2万根！

要不要迎难而上呢？

中国科学院给出的答案是肯定的。这是一个参与国际大科学工程的难得机会，有助于在国际竞争中提高中国的研究水平。于是上海硅酸盐所当仁不让地承接了这项重任。

此前，该所何崇藩课题组曾用传统的提拉法成功制造过BGO晶体，并应用于我国第一台X射线断层扫描仪样机中。但提拉法生长出的BGO晶体尺寸较小且质量欠佳。恰好何崇藩等人曾在人工合成云母时发展出多坩埚下降法，这个方法或许可以用于制备大尺寸BGO晶体。但究竟能不能成，大家心里都没数。

何崇藩推荐了得力干将范世??。时年40岁的范世??已被选拔为国家改革开放后第二批出国进修学者。他非常珍惜这个机会，为此苦学了两年英语。但当所领导找到他，语重心长地阐述了BGO晶体项目的意义后，范世??决定放弃出国机会，留下来大干一场。

2 应用土办法，解决难题

所谓坩埚下降法，是指把用于生长晶体的原材料装进特制的坩埚中，随后后者在具有温度梯度的高温炉中缓慢下降。下降过程中，坩埚底部的温度先降到熔点以下并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。

不同晶体所需要的生长条件不同，关键之一是“炉子”。上海硅酸盐所有着自力更生、为晶体量身定做生长设备的传统，因此范世??的工作也是从砌“炉子”开始的。

当时正值盛夏，范世??一手拿着图纸，一手拿着工具，身体弓得像只虾，在1×2米的空炉壳里砌砖。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，把他身处的小空间加热到接近60℃。他浑身泡在汗水里，一抬头，眼镜片都被灰尘蒙得黑乎乎的。

不仅炉子要靠自己砌，就连电压都得自己调。那时工业用电电压普遍不稳，常在170伏到240伏之间跳跃，炉温会随之波动，从而导致晶体无法稳定生长。范世??通过数十天持续观察，总结出电压变化规律，请电工每天三班倒，人工调节电压，以保持炉中温度稳定。

坩埚也是必不可少的关键工具。由于BGO晶体熔点很高，传统的陶瓷坩埚无法承受，昂贵的铂金坩埚就成了唯一的选择。上海硅酸盐所在中国科学院的帮助下东拼西凑，斥巨资才购入了刚刚够用的铂金。

之后几年里，与坩埚的“爱恨纠葛”贯穿了BGO晶体研制的整个过程。

范世??忘不了第一次看到坩埚渗漏事故的情形：滚烫的熔液像火山爆发时的岩浆一样汩汩冒出，连炉子衬里都被浸蚀烧熔了，场面非常骇人。亲手砌起来的晶体生长炉、来之不易的铂金坩埚、贵比黄金的BGO熔液、已经长了一半的晶体毁于一旦，每个人心头都在滴血。

为了搞清楚坩埚渗漏的原因，范世??跑到昆明贵金属研究所请教，得到的答复是坩埚“中毒”了——铂金与杂质发生反应，从而容易开裂、漏料。如用化学办法提纯铂金，损耗率将高达25%。范世??不甘心，又到金银首饰厂向有经验的老师傅求助。首饰厂熔炼方法损耗率虽然不到千分之一，但得到的铂金锭子用气锤一敲就碎了，根本不能用。

那段时间，范世??每天吃不香、睡不好，整日冥思苦想。突然有一天，他福至心灵，想到一个破局方案。

坩埚每次发生渗漏，都只有少数几个渗漏点，这说明坩埚中的杂质并不多，且以极低的密度分散在巨大的表面积上。他们先熔炼铂金，让杂质在加热过程中提前挥发，再将杂质含量大幅减少的铂金重新铸造成坩埚。生长晶体时，在原来的单层坩埚基础上再加一层坩埚，这样即便每层坩埚上仍留有少量杂质，但两层坩埚的渗漏点几乎不可能完全重合，从而大幅减少坩埚渗漏概率，使BGO晶体成品率迅速提升到约85%。

事实上，其他国家也深受坩埚渗漏困扰，但只有中国科研人员凭借令人拍案叫绝的“土办法”，率先解决了这个国际难题。

BGO晶体生产期间，丁肇中多次来到上海硅酸盐所。他惊讶地说：“我参观过全世界那么多实验室，从没见过一个实验室用这么简陋的设备，在这么短的时间里做出这么好的晶体！”

3 直击真问题，提前完工

晶体质量第一！尺寸第一！中国自主研制的BGO晶体拿下了国际订单！

一个又一个捷报传来，上海硅酸盐所上上下下都无比振奋。

然而，在实验室中能长出良好BGO晶体的工艺，转移到位于上海嘉定的中试基地后却出了大问题。

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。然而从1984年干到1985年底，他们只能拿出100根有缺陷的晶体。面对来自四面八方的压力，团队不少人开始自我怀疑。

关键时刻，担任开发实验基地经理的殷之文调查统计了1985年生长出来的晶体，发现主要问题可能出在进口原料上。但对这个判断，很多人并不认可。要知道那些原料可是CERN从国外著名化工厂购买的，纯度世界一流。

殷之文耐心地与多方交涉，半年后，CERN终于同意改用中国原料。然而，更换原料后，情况并没有完全好转，反而时不时就产出一大批颜色发黄的晶体。

平日里总笑盈盈的殷之文严肃起来，带队到生产原料的厂家实地调查。最后发现，前期实验室研究阶段，生产所需原料少，化学反应是在石英玻璃坩埚中进行的；进入中试阶段后，原料需求量大幅增加，厂家便在搪瓷缸里进行配制。搪瓷缸表面釉层脱落后露出铁层，大量铅离子、铁离子进入原料，导致晶体性能出现了致命性的降低。

厂方改变工艺设备后，1986年4月，中试取得重大突破——当月生产出400多根优质晶体，成品率从35%迅速增加到80%以上。

这下，殷之文再也不怕丁肇中的“深夜来电”了。

也是这个时期，一个19岁的毛头小伙来到开发实验基地。他叫吴泓澍，只有初中学历，此前是玻璃工。他来这里学习加工晶体。

L3探测器形状像一个倒置的锥形大桶，1.2万根BGO晶体呈伞状排列其中，每根晶体是一端细一端粗的棱台形状。吴泓澍等人的任务，就是把测试合格的晶体毛坯加工成上述形状。

这些年轻的工人，每次手捧价值不菲、凝结着无数人心血的BGO晶体，都像抱着刚出生的婴儿，无比珍爱和慎重。但由于经验不足，一个冬天的周末过后，他们发现用蜡黏合固定等待切割的二三十根晶体，居然因蜡遇冷收缩而被生生扯断了。大家心疼得喘不上气，恨不得抽自己几巴掌。

尽管遇到过不少挫折，但在领导和师长的宽容与鼓励下，吴泓澍迅速成长起来，成为晶体加工领域当之无愧的一把好手。

BGO晶体的“生长”之路，一直伴随着种种难以想象的困难。好在团队管理、科研、技术人员相互扶持、密切协作，闯过了重重难关。

“当时我们建立了务实有效的执行组会议制度。”时任开发实验基地党支部副书记史良法回忆道，“从领导到每个具体环节的负责人，都以节点、目标、问题为导向，一起想办法解决问题，大大加快了进度。”

1990年4月，上海硅酸盐所提前半年完成CERN所需的1.2万根BGO晶体生产任务。

这一成就不仅使上海硅酸盐所扬名国际，也让中国科学院在高技术材料研究开发领域实现了质的飞跃。BGO晶体研究开发项目因此被授予1988年国家发明奖一等奖、中国科学院科技进步奖一等奖、“八五”科技攻关奖、十五届国际发明和新技术展览金牌奖等荣誉。

丁肇中也竖起大拇指：“要BGO晶体，就到中国科学院上海硅酸盐研究所去！”

4 挑战多领域，闪耀世界

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（PET）成为医学领域的新星，在癌症、心血管疾病等的诊断中发挥重要作用。而制作PET扫描仪探头，需要优质的闪烁晶体。

1998年，美国通用电气（GE）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。PET技术对BGO晶体的要求比高能物理应用高得多，且要求制备成本足够低——这又是一次艰巨的挑战。

新组建的科研团队对原有的生长工艺和管理模式进行全面革新，使得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，除GE公司，其研制的BGO晶体还长期供货给国内龙头企业。

2015年12月17日，暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，开启了在太空中的漫漫奇旅。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。

“晶体尺寸每一次较大的跨越，都意味着一次更艰巨的挑战的到来。”上海硅酸盐所研究员陈俊锋说，“尽管我们在生长20厘米~30厘米BGO晶体上有着较好积累，但要让BGO晶体直接长到60厘米，最初大家都认为这是根本不可能的事。”

组会上大家开展头脑风暴时，灵感迸发了：以前的晶体比较短，大部分时间都处于生长炉内部，但如果是60厘米长的晶体，会有很长一段从生长设备露出来，并随时间增加而不断延长。这部分晶体会带走越来越多的热量，一来容易导致晶体因头尾温差过大而断裂，二来会引起晶体生长过程失控。

那么，能不能在常规生长炉“三温区”的设计基础上，再加一个可拆卸的第四温区，让超长晶体生长的全过程处于可控状态呢？

研发团队把设想中的新设备一点点搭建起来，原创出“四温区多坩埚晶体生长炉”，终于实现了那个“不可能的目标”。

正是上海硅酸盐所在这项技术上取得的突破，让“悟空”号如期发射成为可能，也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，在激烈的国际竞赛中赢得先机。

凭借这次成功，上海硅酸盐所一举成为世界上能研制并批量制备该长度BGO晶体的唯一单位，至今保持着该晶体长度的世界纪录。

“材料永生！”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如此感叹。

材料的永生特性，体现在BGO晶体上，既是在众多领域表现出的巨大应用前景，也是一代代科研人员、技术人员以薪火相传的精神，在一次次占领科技制高点的实践中，不断赋予它的持久生命力。

在BGO晶体“茁壮生长”的数十年间，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，探索以BGO晶体为代表的各种先进材料更广阔的应用空间。”王东说，“我们过去取得的成绩，植根于代代传承的精神和文化。未来，我们要强化传承、创新发展，让传奇延续。”