给探测器装上国产“眼睛”

中(zhōng)国(guó)科学(xué)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(wù)理研(yán)究所供图

2011年底，48岁(suì)的刘术林做出了一个(gè)重大决定，举家从西安迁往北京。

彼时(shí)，他在西安(ān)一家国企分公司担任总(zǒng)工程师，也(yě)是微通道板领域数一数二的专家，事业发展顺风(fēng)顺水，生活过得也很安逸(yì)。

让刘术林下定决心做出(chū)重大改变的，是(shì)中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(wáng)贻芳团队的光电倍增管自(zì)主(zhǔ)研制项目正陷入(rù)困境，急需刘术林助(zhù)一臂(bì)之力。

此前(qián)，光电倍(bèi)增(zēng)管市场一直被(bèi)日本滨松公司垄(lǒng)断，国内连生产5英(yīng)寸以上的光电倍增(zēng)管能力都不具备。

“现(xiàn)在只有一(yī)张设计图纸，能不(bù)能做出来还是问题，即便能做出(chū)来也得(dé)猴年马月(yuè)了吧。”有人(rén)劝刘术林不要冒这个险。

但刘术林态度很坚定：“这件事情非(fēi)常有意义，我不需要考虑那么多，直接(jiē)去做就行了。”

决定自主研制

如果我们自己不(bù)能生产大尺寸、高性能光电倍增(zēng)管(guǎn)，一切(qiè)都将受制于人

在王(wáng)贻芳找到刘术林之前，他已经带(dài)领团队在光电倍增管技术方面进行了3年的艰苦(kǔ)努力(lì)。

光电倍增管(guǎn)是一种(zhǒng)光子探测器件，于20世纪30年代发明，后广(guǎng)泛应用(yòng)于医疗设备、科研设备、核技术(shù)、空间科学(xué)等方面。

王贻芳说：“它就(jiù)好比是探(tàn)测器的(de)‘眼睛’，能够把‘看到’的光子转换成电子，再把电子(zi)信号放大差不多1000万倍。”

2008年，正在推进大亚湾中微子(zi)实验建设的王贻芳团队，同时(shí)也开始谋划未来接班的江(jiāng)门中微子实(shí)验。与大亚湾中微子实验寻求新的中微子振(zhèn)荡模式不(bù)同，江门中微子实验的主要目标是(shì)测(cè)量中微子质量顺序。

王贻芳(fāng)说：“为了实现这个目(mù)标，我们需要建设(shè)一个巨(jù)大的探(tàn)测器，把光收集效率提高到大亚湾中微子实验(yàn)的10倍，也是国际最高(gāo)水平的5倍。为此，探测器中(zhōng)用到的核心器(qì)件——光电倍增(zēng)管的光(guāng)子探测效率需提高到30%，是当时国际水平的2倍。”

难题随之而来。

当时，国际上(shàng)能生产(chǎn)20英寸光电倍增管的只有日本滨松公司一家，性能达(dá)不到要求，售(shòu)价也高达5万元左右一只。江门中微子实验计划采用2万只(zhǐ)20英寸的光电倍增管，单单采购成本就(jiù)会高达(dá)10亿元人民币。

王贻芳觉得太贵了！

怎么办？只能自主研制。

“如果我们自己不能生产大尺寸、高性能光电倍(bèi)增管(guǎn)，一切(qiè)都将(jiāng)受制(zhì)于(yú)人。”中国科学院高能物理研究所研究员钱森(sēn)说。他是(shì)江门中微子实验光电倍增管研制项目核心成(chéng)员之一。

2008年10月，当时还在中国科学院高能(néng)物理研究所攻读(dú)博士学位的钱(qián)森即将毕业，王贻芳(fāng)建(jiàn)议他留下来参与江门中微子实验光电倍增管的研制。

受一个(gè)研制大面积微通道板探测器(qì)项目的启发，王贻(yí)芳勾画了一个概念设计，采用微通道板收集电子(zi)，其思路不(bù)同于主流的(de)“打拿极”型的光电倍增管。

进而，王(wáng)生活的美丽作文贻芳、钱森等(děng)又进一步细化了设计，开展了模拟验证，确认设计没问(wèn)题。半年后，他们申请了发明专利，并顺利获得了中国、俄罗斯、美国、日本、欧盟等国(guó)家和地区的发(fā)明专利授权。

没想到，接下来却卡在了寻(xún)求企业合作这一(yī)关。

在光电倍增管这个行当，国内当时可供选择(zé)的企业很少。20世纪60年代，中国还有2家工厂能够生产(chǎn)光电倍(bèi)增生活的美丽作文管。80年(nián)代起，日本的(de)滨松公司研制出(chū)了20英寸(cùn)的光电倍增管，引领了(le)整个光电倍增管技术的潮流，使其成为世(shì)界上最好的(de)光电倍增(zēng)管生产企业。后来，日本滨松在北京(jīng)成立合资公司，从事光电倍增管的生产和(hé)销售，原(yuán)来的几家国内生产企业逐渐凋零，举步维艰。

王贻芳团队查询资料，参(cān)加各种会议，访问了许多研究所和企业，寻求合作。但这样一个新颖的设计，却多次被洽谈(tán)合作的企业拒绝(jué)，理由(yóu)五花八门。要么是“任务太忙”，要么(me)是“没听说过，这一点儿都(dōu)不靠谱”。

最终，经过多(duō)次寻找和洽谈，王贻芳团队(duì)与一家研究所(suǒ)达成了(le)合作意向(xiàng)。

开启联合攻(gōng)关

科(kē)研人(rén)员驻(zhù)扎到工厂，甚至把实验室的设备也搬到了(le)现场

然而，事情并不顺利。过了3年(nián)时间，这项合作以失败告终。

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

仔细复盘和分析后(hòu)，王贻芳团队认为，“不是设(shè)计思路不行，基本原理都(dōu)已(yǐ)得到验证，主要还是制作工艺不行。”找到关键问题(tí)后，他们(men)又开(kāi)始(shǐ)了新一轮的(de)尝试。

幸运的是，之前因为(wèi)任务太忙没能(néng)合作成功的(de)一家企业——北方夜视技(jì)术股份有限公司（现为北方夜(yè)视科技(jì)（南京）研究(jiū)院有限公(gōng)司，以下(xià)简(jiǎn)称“北方夜视”）又(yòu)表示愿(yuàn)意来试一试。

“这(zhè)家企业有微通道板的生(shēng)产经验(yàn)，虽(suī)然他们没有做过光电倍增管，但他们有意愿和能力做这(zhè)件事情。”王贻芳(fāng)说，“我觉得这一点非常重要，关键是你是不(bù)是真的下决心(xīn)愿意做一件前人没有做过的事情。”

与此同时，王贻芳听从专(zhuān)家(jiā)建议引进了刘(liú)术(shù)林。刘术林在微通(tōng)道板领域有着非(fēi)常深厚的理论功底和技术积累，对相(xiāng)关产业界也十分(fēn)熟悉，是国内这方面的顶级专家。

2011年底，由中国科学院高能物理研究所牵头(tóu)，北方夜视、中国科学院西安光学精密机(jī)械研究所、中核(hé)控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成(chéng)的光电倍(bèi)增管产学研合作组(zǔ)正式成立。合(hé)作组建立了全新的合(hé)作模式，制定(dìng)了章程，并预先讨(tǎo)论了未来如何确定成果和收益分配比例，以避(bì)免可能产生的争议(yì)，同时鼓励大家全力以(yǐ)赴，将(jiāng)来以贡献论分配。

20英寸光电倍增管的研制，充满着挑战(zhàn)和不确定性。新的设计究竟能不能实现设想中的理想性能，只有(yǒu)努力了才知道。

接下来的几(jǐ)年里，科研院所的科研人员(yuán)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、微通道板及其组件制备与处理(lǐ)、低放(fàng)射(shè)性本底无钾大尺寸(cùn)玻壳研(yán)制等多个技(jì)术难题。

据钱森回忆，当时(shí)中国科(kē)学(xué)院高能物(wù)理研究所小组把(bǎ)能调动的资源都调(diào)动起来，科研人员驻扎到工厂，甚至把北京实(shí)验室的设备也搬到了南京和西(xī)安的生产现(xiàn)场。

“工厂工人一边做样品，科研人员就一边在现场进(jìn)行中间环节(jié)的测试，然后通过数据(jù)告诉他们(men)哪个环节有问题(tí)，哪个方向值得改进(jìn)，哪个工(gōng)艺可能会更好。”钱(qián)森说，“这种紧密的合作方式，促使我们高效率(lǜ)解决了很多(duō)难题。”

历经4年艰苦卓(zhuó)绝的攻关，第一个20英寸样管终于研制成功。这期间，合作组先后召开39次会议，进行了8次联(lián)合攻(gōng)关(guān)，完成了(le)150多(duō)个研制阶段的报告。

王贻芳说(shuō)：“最终样管光(guāng)子探测效率(lǜ)达到(dào)了27%，距离30%的要求仅(jǐn)差3%。”

向产业化推进

实现批量化生产，并不断开发新的(de)光电倍增管产品，应用到更为广阔的领域(yù)

此时，新的问题又(yòu)来了。

达到要求的样管只是样管而已，关键是企业有没有(yǒu)能(néng)力进(jìn)行批量生产，能不能把(bǎ)上万只20英(yīng)寸的光电倍增管按时(shí)且保质保量(liàng)做出来(lái)？

2015年底，拿到订单的北(běi)方夜视就立即行动了起来。

北方夜视总经理孙建宁说：“公司(sī)2016年开始生产线建设，几个月就建好了，其(qí)中的生产设备都是我们自主研发找厂家定制的。”