给探测器装上国产“眼睛”

中国科(kē)学院高能物理研究所所长王贻芳在光电(diàn)倍增管实验室。

中国科学院高能物理研究所供图

2011年底，48岁的刘(liú)术(shù)林做出了一个重大决定，举家从西安迁(qiān)往北京。

彼时，他在西安一(yī)家国企分公司担任(rèn)总(zǒng)工程师，也是微通道(dào)板领域数一数二(èr)的专家，事业发(fā)展顺(shùn)风(fēng)顺水，生活过得也很安逸。

让刘术林下定决心做(zuò)出重大(dà)改变的，是中(zhōng)国科学院高能物理研究所所长王贻芳的诚挚邀请(qǐng)。当时，王贻芳团队的光电倍增管自主研制项目正陷入困境，急需刘术林助一臂(bì)之力(lì)。

此前，光电倍增管市场一直被日本滨松公司垄断，国(guó)内连生产5英(yīng)寸以上的光电倍增管(guǎn)能力都不具备。

“现在只有一张设计图纸，能不能做出来还是(shì)问题，即便能做(zuò)出来也得猴年马月了吧。”有人劝刘术林不要冒这(zhè)个险。

但刘术林态度很坚定：“这件事情非常有意义，我不(bù)需(xū)要(yào)考虑那么多(duō)，直接(jiē)去做就行(xíng)了(le)。”

决(jué)定自主研制

如果我们自己不能生产(chǎn)大尺寸、高(gāo)性(xìng)能光电倍增管，一(yī)切都将受制于(yú)人

在王贻(yí)芳找到刘术林之前，他已经带领团队在光电倍增管技(jì)术方面(miàn)进行了3年的艰(jiān)苦努力。

光电(diàn)倍增管是一种(zhǒng)光子(zi)探测器件，于20世纪30年代发明，后广泛应用于医疗(liáo)设备、科(kē)研设备、核技术、空间科学(xué)等方面。

王贻芳说：“它就好比是探测(cè)器的‘眼睛’，能够把‘看到’的光子转换成电子，再把(bǎ)电子信号放大差不多1000万倍。”

2008年，正在推进大亚湾中(zhōng)微子实验建设的王贻芳团队，同时也开始谋划未来接班的江门中微子实验。与大亚湾中微子实验寻求新的中微子振荡(dàng)模式不同(tóng)，江门中微(wēi)子实(shí)验的主要目标(biāo)是测量中微子(zi)质量顺序。

王贻芳说：“为了实现这个目标，我们需(xū)要建(jiàn)设一个巨(jù)大的探(tàn)测器，把光收集效率提(tí)高到大亚湾中微子实验的10倍，也是国际最高(gāo)水平的5倍。为此(cǐ)，探测(cè)器中用到的核心器件——光电倍增管的光子探测效率(lǜ)需提高到30%，是当时国际水平的2倍。”

难(nán)题随之而(ér)来辅导班的生活。

当时，国际上能(néng)生产20英寸光电倍(bèi)增(zēng)管(guǎn)的只有日(rì)本滨松(sōng)公司一(yī)家，性能达不到要(yào)求，售价也(yě)高达5万元左右一只。江门中微子实验计(jì)划采用2万只20英寸的光电(diàn)倍增管，单单采(cǎi)购成本就会高达10亿元人民币。

王(wáng)贻芳觉得太贵了(le)！

怎么办？只能(néng)自主研(yán)制。

“如果我们自己不能生产大(dà)尺寸、高性能光电倍增管，一切都将受制于人。”中(zhōng)国科学院高能(néng)物理研究所研究员钱森说。他是江门中微子实(shí)验光(guāng)电(diàn)倍增管研(yán)制项目核(hé)心成员之(zhī)一。

2008年10月，当(dāng)时还在中国科学院高能物理(lǐ)研究所攻读博士学位的钱森即将毕业，王贻芳(fāng)建(jiàn)议他留(liú)下(xià)来参与江门中微子实验(yàn)光电倍增管的研制。

受一个研制大面积微通道板探测器项目的(de)启发，王(wáng)贻芳勾画了一个概念设计，采用微通道(dào)板收集电子，其思路不同于(yú)主流的“打拿极”型的(de)光电倍增管。

进而，王贻芳、钱森等又进一步细(xì)化了设计，开展了模(mó)拟验证，确认设计没问题。半年后(hòu)，他(tā)们申请了发明专利，并顺利获得了中(zhōng)国、俄罗斯、美国、日本、欧盟等国家和地区的(de)发明专利授权。

没想到，接下来却(què)卡在了寻求企业合作这一关。

在光电倍(bèi)增管这个行当，国内当时可供选择的(de)企业很少。20世纪60年代，中国还有2家工厂能(néng)够生产光电倍增管。80年代起(qǐ)，日本的滨松公司研制(zhì)出(chū)了20英寸的光电倍增管，引领了整个光电倍(bèi)增(zēng)管技(jì)术的(de)潮流，使其(qí)成为世(shì)界上最好的光电倍增管生产企(qǐ)业(yè)。后来，日本滨松在北京成立合资公司，从事光电倍增管的生产和销售(shòu)，原来的几家(jiā)国内生产企业(yè)逐渐凋零，举步维艰。

王贻芳团队(duì)查询资料，参加各种会议，访问了许多(duō)研究所和企业(yè)，寻求合作。但这样一个新颖的设计，却多次被洽谈合(hé)作的企业拒绝，理(lǐ)由五花八门。要么是“任务太忙”，要么是“没听说(shuō)过，这一点儿都不靠谱”。

最终，经过多次寻找和洽谈，王贻芳团队与一家研究所达成了合作意向。

开启联合攻关

科研人员驻扎到工厂，甚至把实(shí)验室的设(shè)备(bèi)也搬(bān)到(dào)了(le)现场

然而，事(shì)情并不顺利。过了3年时间，这项合作以失败告终。

“我们做出来的样管光子探测效率只达到5%，与30%的要求还相差很远。”王贻芳说(shuō)。

仔细复盘和分(fēn)析后，王贻芳(fāng)团队认为，“不是设计思路不行，基本原理都已得到验证(zhèng)，主要还是制作工艺不行。”找到关键问题后，他们又开始(shǐ)了(le)新一轮的(de)尝试。

幸运(yùn)的是，之前因为任务太忙没能合作(zuò)成功的一家企(qǐ)业——北方夜视技术(shù)股份有限公司(sī)（现(xiàn)为北(běi)方(fāng)夜视(shì)科技（南京）研究院有限公司，以下简称“北方夜(yè)视”）又表示愿意来试一试。

“这家企(qǐ)业有微通道板的生产(chǎn)经验，虽然他们没有做(zuò)过光(guāng)电倍增管，但他们(men)有意愿和能力做这件(jiàn)事情。”王贻芳说，“我觉得这一点非常重要，关键是你是不是真的下决心愿意做一件前人没有做(zuò)过的(de)事(shì)情。”

与(yǔ辅导班的生活)此同时(shí)，王贻芳听从专家(jiā)建议(yì)引进(jìn)了刘术林。刘术林在微通道(dào)板领域(yù)有着非常深厚的(de)理论功底和技(jì)术积累，对相关产业界也十分熟悉，是国内这方面的顶级专家。

2011年底，由中(zhōng)国科学(xué)院高能物理(lǐ)研究所牵头，北方(fāng)夜视、中国科学院西安光学精密机械研究(jiū)所、中核控制系统(tǒng)股份有限公司和南京(jīng)大学等单位(wèi)组成(chéng)的光(guāng)电倍增管产(chǎn)学研合(hé)作组正式成(chéng)立。合作组建立了全新的合作(zuò)模(mó)式，制定了章程，并预先讨(tǎo)论了未来如何确定成果和收益(yì)分配比例，以避免可能产(chǎn)生(shēng)的争议，同时鼓励大家全力以赴，将来以贡献论分配。

20英寸光电倍(bèi)增管的研制，充满着(zhe)挑战和不确定性。新的设计究竟(jìng)能不能(néng)实现设想中的(de)理想性能，只有努力了才知(zhī)道。

接下来的几年里，科(kē)研院所的科研人员与企业技术人员、工人密切合作，攻克了高量子效率的光阴极制备、微通道(dào)板及其组件制备与处理、低放射性本底(dǐ)无钾大尺寸玻壳研制等(děng)多个技术难题。

据钱森回忆，当(dāng)时中国科学院高能物理研究所小组把能调(diào)动的资源都调动起来，科(kē)研人员驻扎到(dào)工(gōng)厂，甚至把(bǎ)北京(jīng)实(shí)验室的设备(bèi)也搬到了南京和西安(ān)的生产现场(chǎng)。

“工厂工人一边做样品，科(kē)研人员就一边在现(xiàn)场进行中(zhōng)间环节的测试，然后通过数据(jù)告(gào)诉他们哪个环(huán)节有问题，哪(nǎ)个方向(xiàng)值得改进，哪个工艺(yì)可能(néng)会(huì)更好。”钱森说(shuō)，“这(zhè)种紧密的合(hé)作方式，促使我们(men)高效(xiào)率解决了很多(duō)难题。”

历经4年艰苦卓绝的攻关，第一个20英寸样管终(zhōng)于研(yán)制成(chéng)功。这期间，合作组先后召开39次(cì)会(huì)议，进行了8次联(lián)合攻关，完成(chéng)了150多个研制阶段(duàn)的报告。

王贻(yí)芳说：“最(zuì)终样(yàng)管光子(zi)探(tàn)测效率达到了27%，距离30%的要(yào)求仅差3%。”

向产(chǎn)业化推进

实现批量化生产，并不断开发新的光电倍增(zēng)管(guǎn)产品，应用(yòng)到更为广阔的领域

此时，新的问题又来了。

达到要求的样管(guǎn)只是(shì)样管而已，关键是企业有没有能力进行批量生产，能不能把上(shàng)万只20英寸的光电倍(bèi)增管按(àn)时且保(bǎo)质保量做出来？

2015年底，拿到(dào)订(dìng)单的北方夜视就立即行动了起来。

北方夜视总(zǒng)经(jīng)理孙建宁说：“公(gōng)司2016年(nián)开始生(shēng)产线建(jiàn)设(shè)，几个月就建(jiàn)好了，其中(zhōng)的(de)生产设备都是我(wǒ)们自主研发找(zhǎo)厂家定(dìng)制的。”

功夫不负有心人。2020年(nián)9月7日，北方夜(yè)视承(chéng)担的订单任务按时(shí)完成，全部发货(huò)到位(wèi)于广东的江门中微子实验光电倍增管测试现场。

在光电(diàn)倍增管研制、工程(chéng)化和批量生产环节，全(quán)体合作组成员密切合(hé)作，不断优化工艺和(hé)提高成品率，使得探(tàn)测效率由早期的27%稳步提高到30%，成(chéng)品率由原来的50%逐步提高到80%，达到电真空器件的国际领先水平。

王贻芳说：“我们得到(dào)了最好的光电倍增管，同时(shí)也得到了非常(cháng)优惠的价格。”

北方夜视也通过参与(yǔ)研制光电倍增管项目，开拓了(le)新(xīn)的领域(yù)和增长点，积累了技术和人才，甚至振兴了国(guó)内(nèi)光电倍增管(guǎn)行业。

为(wèi)了实(shí)现可(kě)持续(xù)发展，光电倍增管合作组后续又不断开(kāi)发(fā)新(xīn)的光电倍(bèi)增管产品，应(yīng)用到核技术、医疗诊(zhěn)断、石(shí)油勘探、环境保护等更(gèng)为(wèi)广(guǎng)阔的领域(yù)，带动了上(shàng)下(xià)游企业(yè)的发展。

如今，北方夜视已从一家原来纯粹生产微通道(dào)板的企业(yè)，发展成为具(jù)有很强研发能力的(de)高科技公司。

王贻芳说：“跟我们科研人员(yuán)合作，企业也(yě)学会了如何做前人从来没有做过的事情。科研人员(yuán)和工程师在训练方面(miàn)有本质(zhì)的不同，两者(zhě)结合是最理想的技术发展模式之一。”

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