给探测器装上国产“眼睛”

中国科学(xué)院高能物理研(yán)究所所长王贻芳在光(guāng)电(diàn)倍增管实验室。

中国科学院高(gāo)能物理研究(jiū)所供图(tú)

2011年底，48岁的刘术(shù)林做(zuò)出了一(yī)个(gè)重大决定，举家从西安迁往北京。

彼时，他在西安一家国企分公司担任总工程师，也是微通道板领域数一(yī)数二的专(zhuān)家，事业发展顺风顺水(shuǐ)，生活过得也很(hěn)安逸。

让刘术林(lín)下定(dìng)决心做出重大改变的，是中国科学院高能物理研究所所长王贻芳的(de)诚(chéng)挚邀请。当(dāng)时，王贻芳团(tuán)队的光(guāng)电倍(bèi)增管自主研制项目正陷入困(kùn)境，急(jí)需刘术林助一臂之力。

此前(qián)，光(guāng)电倍增管市场一直被日(rì)本(běn)滨松公司垄断(duàn)，国内连生产5英寸以上的(de)光电倍增管能力都不具备。

“现在只有一张设计(jì)图纸，能(néng)不能做出来还是问题，即便(biàn)能做出来也得猴年马月了吧。”有人劝刘(liú)术林不要冒这个险(xiǎn)。

但刘术林(lín)态度很坚定：“这件事情非常有意义，我不需要考虑那么(me)多，直接去做就(jiù)行了。”

决定自主研制

如果我们(men)自己不能生产大尺寸、高性能光(guāng)电倍增管，一(yī)切都将受制(zhì)于人(rén)

在王贻芳找到刘术(shù)林之前，他已经(jīng)带领团队在光电倍增管(guǎn)技术方面进行了3年的艰苦(kǔ)努力。

光电倍增管是一种光子探测器件，于20世(shì)纪30年代发(fā)明，后广泛应(yīng)用于医疗(liáo)设备、科研(yán)设备、核技术、空(kōng)间科学等方(fāng)面(miàn)。

王贻芳说：“它(tā)就好(hǎo)比(bǐ)是探测器的(de)‘眼(yǎn)睛(jīng)’，能够把‘看到(dào)’的光子转换成电子，再(zài)把电子信号放大差不多1000万倍。”

2008年(nián)，正在推进大亚湾中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(dà)亚(yà)湾中微子实(shí)验寻求新(xīn)的中微子振荡模式不同，江门中微子实(shí)验的主要目标是测量中微(wēi)子质量顺序。

王贻芳(fāng)说：“为(wèi)了实(shí)现这个目标，我们需要建(jiàn)设一个巨大的探测器，把光收集效率提高到大亚(yà)湾(wān)中微子实验的10倍，也是国际最高水平的5倍。为此，探测器中用到的核心器件——光电倍(bèi)增管的光子探(tàn)测效率需提高到30%，是当时国际水平的2倍。”

难(nán)题随之而来(lái)。

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

王贻芳(fāng)觉(jué)得太贵了！

怎么办(bàn)？只能自主研(yán)制。

“如(rú)果我们自己不能生产大(dà)尺寸、高性能光电倍增(zēng)管，一切都将受制于人。”中国科学院高能物理研究(jiū)所研(yán)究(jiū)员钱森说。他是江门中微子实验光电倍(bèi)增管研制项目拓普集团：一季度净利润6.45亿元同比增长43.36%x;'>拓普集团：一季度净利润6.45亿元同比增长43.36%核心(xīn)成(chéng)员之一(yī)。

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

受一个研制大面积微通道板探测器项目的启(qǐ)发，王贻芳勾画了一(yī)个概(gài)念设计(jì)，采用微通道板收集电子，其思(sī)路不同(tóng)于(yú)主流(liú)的“打拿(ná)极”型的(de)光电倍增(zēng)管。

进而，王贻芳、钱森等又进一步细化了设计，开展了模拟验(yàn)证，确认设计没(méi)问题。半年后(hòu)，他们申请(qǐng)了(le)发(fā)明专(zhuān)利(lì)，并顺利获得(dé)了中国(guó)、俄罗斯、美国、日本(běn)、欧盟等国家和地区的发明专利(lì)授权。

没(méi)想到(dào)，接(jiē)下(xià)来却卡在了寻(xún)求企业合作这一关。

在光电倍增(zēng)管这个(gè)行(xíng)当，国内当时可供(gōng)选择的企业很少。20世纪(jì)60年(nián)代，中国还有2家(jiā)工厂能够(gòu)生产光电倍(bèi)增管。80年代起，日本的滨松公司(sī)研制出了20英寸的光(guāng)电倍(bèi)增管，引领了(le)整个光电倍增管技术的潮流，使其成为世界上最好的光电倍增管生产企(qǐ)业。后来，日(rì)本(běn)滨松在北京成立合资(zī)公司，从事光电倍增(zēng)管的生产和销售，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(chá)询资料，参加各(gè)种会(huì)议，访问(wèn)了许多研究所和企业，寻求合作。但这样一个(gè)新颖的设计，却多次被洽谈合作(zuò)的企业(yè)拒绝，理由五(wǔ)花八门。要(yào)么(me)是“任务太忙”，要么是(shì)“没听说过，这一点儿都(dōu)不(bù)靠谱”。

最终，经过多次寻找(zhǎo)和洽谈(tán)，王(wáng)贻芳团队与一家(jiā)研究所达成了合作意(yì)向。

开启联(lián)合攻关

科研人员驻扎到工厂，甚至把实验室的设备也搬到了现场

然而，事情并不顺利。过了3年时间，这项合作以失败告终。

“我们做出来的样(yàng)管(guǎn)光子探测效率只(zhǐ)达到5%，与(yǔ)30%的要(yào)求还相差很远。”王贻芳说。

仔细复(fù)盘和分析后(hòu)，王贻芳(fāng)团队认为，“不是(shì)设计思路不(bù)行，基本原理都已得(dé)到验证(zhèng)，主要(yào)还是制作工艺不行。”找到关键(jiàn)问题(tí)后，他们又开始了新一轮的尝试。

幸运的是，之前(qián)因为任务太忙没能合作成功的一家企业——北方夜视技术(shù)股(gǔ)份有限公司（现为北方夜视科技（南京）研究院有限公司，以下简称“北方夜(yè)视”）又表示(shì)愿意来试一(yī)试。

“这家企业有微通道板的(de)生产经(jīng)验，虽(suī)然(rán)他们(men)没有做过光电倍增管，但他(tā)们(men)有(yǒu)意愿和能力做这(zhè)件事情。”王贻(yí)芳说，“我觉得这一(yī)点非(fēi)常重要，关键是你是不是真的下决心愿(yuàn)意做一件前人没有做过的事情。”

与此同时，王贻芳听从专家建议引进了刘(liú)术林。刘术林在微通道板领域有着非常深厚的理论功(gōng)底(dǐ)和技术积累(lèi)，对相关产(chǎn)业界也十分熟悉，是国内这方面(miàn)的顶级专家。

2011年底，由中国科学院高能物理研究所牵(qiān)头，北方夜视(shì)、中国科学(xué)院(yuàn)西安光学精密机械研究所、中核控制(zhì)系统股份有限公(gōng)司和南京大学等单位组成的光电(diàn)倍(bèi)增管产学研合作组正式(shì)成立。合作组建立了全新的合作模式，制定了章程，并预先讨论了未来如何(hé)确定成果和收益分配比例，以避免可能产生的争议，同时鼓(gǔ)励大家全力以赴，将来以贡献论分配。

20英(yīng)寸光电倍增管的研制，充满(mǎn)着挑(tiāo)战和不确定性。新的设计(jì)究竟能不能实现设想中的理想性能，只有(yǒu)努(nǔ)力了才知(zhī)道。

接下来的几年里，科研院所的科研人员与企业技(jì)术人员、工人密切合作，攻克了高量子效率的光阴极制备、微(wēi)通道板及其组件制(zhì)备与处理、低放射性本底无钾(jiǎ)大尺寸玻壳研制等多(duō)个技术难题。

据钱森回(huí)忆(yì)，当时中(zhōng)国(guó)科学院高能物理研究所小组把能调动的资源都调动起来，科研人员驻(zhù)扎到(dào)工厂，甚至(zhì)把北京实验室的(de)设备也搬(bān)到了南(nán)京和(hé)西安的(de)生产现场(chǎng)。

“工厂工人一边做样品，科研(yán)人员就(jiù)一边在(zài)现场进行中间环节的测(cè)试，然后通过数据(jù)告诉他们哪(nǎ)个环(huán)节有问(wèn)题，哪个方向(xiàng)值得改进(jìn)，哪个工艺(yì)可能会更好。”钱森说，“这种紧密的合作方式，促使我(wǒ)们高效率解决了很多难题。”

历经4年艰苦卓绝的攻关，第一个20英寸样管终于研制成功。这期间，合作组(zǔ)先后(hòu)召开(kāi)39次(cì)会议，进行(xíng)了(le)8次联合攻关，完成了150多(duō)个研制阶段的报告。

拓普集团：一季度净利润6.45亿元同比增长43.36%王贻(yí)芳(fāng)说：“最(zuì)终样(yàng)管光子探测(cè)效率达到了27%，距离30%的要求仅差3%。”

向(xiàng)产业化推进(jìn)

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

此时，新的问题又来了。

达到要求的样管只是样管而已，关键(jiàn)是企(qǐ)业有没有(yǒu)能力进行批量(liàng)生产，能不(bù)能把上(shàng)万(wàn)只(zhǐ)20英(yīng)寸的(de)光电倍增管按时且保质保量做出来(lái)？

2015年底，拿到订单的北方夜视就立即行动了起(qǐ)来。

北方夜(yè)视总(zǒng)经理孙(sūn)建宁说(shuō)：“公司2016年开始生产线建设(shè)，几个月就建好了，其中的生产设备都是我们自主研发找厂家定制的。”

功夫不负(fù)有心人。2020年9月7日，北方夜视承担的订单任务(wù)按时完成，全部发货到位(wèi)于广东的江门(mén)中微子实验光(guāng)电倍增管测试现场。

在光电倍增管研制、工程化(huà)和批量生产环节，全体合作组成员密切合作，不断优化工艺和提高成品率，使得探测效率由早期的27%稳步(bù)提(tí)高到30%，成品率由原来的50%逐步提高(gāo)到80%，达到电真(zhēn)空器件的国际领先水平。

王贻芳说：“我(wǒ)们得到了最好的光电倍增(zēng)管，同时也得到(dào)了非常优惠的价格。”

北方夜视也通过(guò)参与研制光电倍增管项目，开拓了新的领(lǐng)域和增(zēng)长点，积(jī)累了技术和人才，甚至振(zhèn)兴了国内光电倍增管行业。