歷經(jīng)11年自主研發(fā) 他們成功給探測(cè)器裝上國(guó)產(chǎn)“眼睛”

2011年底，48歲的劉術(shù)林做出了一個(gè)重大決定，舉家從西安遷往北京。

彼時(shí)，他在西安一家國(guó)企分公司擔(dān)任總工程師，也是微通道板領(lǐng)域數(shù)一數(shù)二的專家，事業(yè)發(fā)展順風(fēng)順?biāo)钸^(guò)得也很安逸。

讓劉術(shù)林下定決心做出重大改變的，是中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳的誠(chéng)摯邀請(qǐng)。當(dāng)時(shí)，王貽芳團(tuán)隊(duì)的光電倍增管自主研制項(xiàng)目正陷入困境，急需劉術(shù)林助一臂之力。

此前，光電倍增管市場(chǎng)一直被日本濱松公司壟斷，國(guó)內(nèi)連生產(chǎn)5英寸以上的光電倍增管能力都不具備。

“現(xiàn)在只有一張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙，能不能做出來(lái)還是問(wèn)題，即便能做出來(lái)也得猴年馬月了吧。”有人勸劉術(shù)林不要冒這個(gè)險(xiǎn)。

但劉術(shù)林態(tài)度很堅(jiān)定：“這件事情非常有意義，我不需要考慮那么多，直接去做就行了。”

決定自主研制

如果我們自己不能生產(chǎn)大尺寸、高性能光電倍增管，一切都將受制于人

在王貽芳找到劉術(shù)林之前，他已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在光電倍增管技術(shù)方面進(jìn)行了3年的艱苦努力。

光電倍增管是一種光子探測(cè)器件，于20世紀(jì)30年代發(fā)明，后廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、科研設(shè)備、核技術(shù)、空間科學(xué)等方面。

王貽芳說(shuō)：“它就好比是探測(cè)器的‘眼睛’，能夠把‘看到’的光子轉(zhuǎn)換成電子，再把電子信號(hào)放大差不多1000萬(wàn)倍。”

2008年，正在推進(jìn)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)的王貽芳團(tuán)隊(duì)，同時(shí)也開始謀劃未來(lái)接班的江門中微子實(shí)驗(yàn)。與大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)尋求新的中微子振蕩模式不同，江門中微子實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是測(cè)量中微子質(zhì)量順序。

王貽芳說(shuō)：“為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們需要建設(shè)一個(gè)巨大的探測(cè)器，把光收集效率提高到大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的10倍，也是國(guó)際最高水平的5倍。為此，探測(cè)器中用到的核心器件——光電倍增管的光子探測(cè)效率需提高到30%，是當(dāng)時(shí)國(guó)際水平的2倍。”

難題隨之而來(lái)。

當(dāng)時(shí)，國(guó)際上能生產(chǎn)20英寸光電倍增管的只有日本濱松公司一家，性能達(dá)不到要求，售價(jià)也高達(dá)5萬(wàn)元左右一只。江門中微子實(shí)驗(yàn)計(jì)劃采用2萬(wàn)只20英寸的光電倍增管，單單采購(gòu)成本就會(huì)高達(dá)10億元人民幣。

王貽芳覺得太貴了！

怎么辦？只能自主研制。

“如果我們自己不能生產(chǎn)大尺寸、高性能光電倍增管，一切都將受制于人。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員錢森說(shuō)。他是江門中微子實(shí)驗(yàn)光電倍增管研制項(xiàng)目核心成員之一。

2008年10月，當(dāng)時(shí)還在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所攻讀博士學(xué)位的錢森即將畢業(yè)，王貽芳建議他留下來(lái)參與江門中微子實(shí)驗(yàn)光電倍增管的研制。

受一個(gè)研制大面積微通道板探測(cè)器項(xiàng)目的啟發(fā)，王貽芳勾畫了一個(gè)概念設(shè)計(jì)，采用微通道板收集電子，其思路不同于主流的 “打拿極”型的光電倍增管。

進(jìn)而，王貽芳、錢森等又進(jìn)一步細(xì)化了設(shè)計(jì)，開展了模擬驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)計(jì)沒問(wèn)題。半年后，他們申請(qǐng)了發(fā)明專利，并順利獲得了中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)的發(fā)明專利授權(quán)。

沒想到，接下來(lái)卻卡在了尋求企業(yè)合作這一關(guān)。

在光電倍增管這個(gè)行當(dāng)，國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)可供選擇的企業(yè)很少。20世紀(jì)60年代，中國(guó)還有2家工廠能夠生產(chǎn)光電倍增管。80年代起，日本的濱松公司研制出了20英寸的光電倍增管，引領(lǐng)了整個(gè)光電倍增管技術(shù)的潮流，使其成為世界上最好的光電倍增管生產(chǎn)企業(yè)。后來(lái)，日本濱松在北京成立合資公司，從事光電倍增管的生產(chǎn)和銷售，原來(lái)的幾家國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)逐漸凋零，舉步維艱。

王貽芳團(tuán)隊(duì)查詢資料，參加各種會(huì)議，訪問(wèn)了許多研究所和企業(yè)，尋求合作。但這樣一個(gè)新穎的設(shè)計(jì)，卻多次被洽談合作的企業(yè)拒絕，理由五花八門。要么是“任務(wù)太忙”，要么是“沒聽說(shuō)過(guò)，這一點(diǎn)兒都不靠譜”。

最終，經(jīng)過(guò)多次尋找和洽談，王貽芳團(tuán)隊(duì)與一家研究所達(dá)成了合作意向。

開啟聯(lián)合攻關(guān)

科研人員駐扎到工廠，甚至把實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備也搬到了現(xiàn)場(chǎng)

然而，事情并不順利。過(guò)了3年時(shí)間，這項(xiàng)合作以失敗告終。

“我們做出來(lái)的樣管光子探測(cè)效率只達(dá)到5%，與30%的要求還相差很遠(yuǎn)。”王貽芳說(shuō)。

仔細(xì)復(fù)盤和分析后，王貽芳團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，“不是設(shè)計(jì)思路不行，基本原理都已得到驗(yàn)證，主要還是制作工藝不行。”找到關(guān)鍵問(wèn)題后，他們又開始了新一輪的嘗試。

幸運(yùn)的是，之前因?yàn)槿蝿?wù)太忙沒能合作成功的一家企業(yè)——北方夜視技術(shù)股份有限公司(現(xiàn)為北方夜視科技(南京)研究院有限公司，以下簡(jiǎn)稱“北方夜視”)又表示愿意來(lái)試一試。

“這家企業(yè)有微通道板的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，雖然他們沒有做過(guò)光電倍增管，但他們有意愿和能力做這件事情。”王貽芳說(shuō)，“我覺得這一點(diǎn)非常重要，關(guān)鍵是你是不是真的下決心愿意做一件前人沒有做過(guò)的事情。”

與此同時(shí)，王貽芳聽從專家建議引進(jìn)了劉術(shù)林。劉術(shù)林在微通道板領(lǐng)域有著非常深厚的理論功底和技術(shù)積累，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)界也十分熟悉，是國(guó)內(nèi)這方面的頂級(jí)專家。

2011年底，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭，北方夜視、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、中核控制系統(tǒng)股份有限公司和南京大學(xué)等單位組成的光電倍增管產(chǎn)學(xué)研合作組正式成立。合作組建立了全新的合作模式，制定了章程，并預(yù)先討論了未來(lái)如何確定成果和收益分配比例，以避免可能產(chǎn)生的爭(zhēng)議，同時(shí)鼓勵(lì)大家全力以赴，將來(lái)以貢獻(xiàn)論分配。

20英寸光電倍增管的研制，充滿著挑戰(zhàn)和不確定性。新的設(shè)計(jì)究竟能不能實(shí)現(xiàn)設(shè)想中的理想性能，只有努力了才知道。

接下來(lái)的幾年里，科研院所的科研人員與企業(yè)技術(shù)人員、工人密切合作，攻克了高量子效率的光陰極制備、微通道板及其組件制備與處理、低放射性本底無(wú)鉀大尺寸玻殼研制等多個(gè)技術(shù)難題。

據(jù)錢森回憶，當(dāng)時(shí)中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所小組把能調(diào)動(dòng)的資源都調(diào)動(dòng)起來(lái)，科研人員駐扎到工廠，甚至把北京實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備也搬到了南京和西安的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

“工廠工人一邊做樣品，科研人員就一邊在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行中間環(huán)節(jié)的測(cè)試，然后通過(guò)數(shù)據(jù)告訴他們哪個(gè)環(huán)節(jié)有問(wèn)題，哪個(gè)方向值得改進(jìn)，哪個(gè)工藝可能會(huì)更好。”錢森說(shuō)，“這種緊密的合作方式，促使我們高效率解決了很多難題。”

歷經(jīng)4年艱苦卓絕的攻關(guān)，第一個(gè)20英寸樣管終于研制成功。這期間，合作組先后召開39次會(huì)議，進(jìn)行了8次聯(lián)合攻關(guān)，完成了150多個(gè)研制階段的報(bào)告。

王貽芳說(shuō)：“最終樣管光子探測(cè)效率達(dá)到了27%，距離30%的要求僅差3%。”

向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)

實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，并不斷開發(fā)新的光電倍增管產(chǎn)品，應(yīng)用到更為廣闊的領(lǐng)域

此時(shí)，新的問(wèn)題又來(lái)了。

達(dá)到要求的樣管只是樣管而已，關(guān)鍵是企業(yè)有沒有能力進(jìn)行批量生產(chǎn)，能不能把上萬(wàn)只20英寸的光電倍增管按時(shí)且保質(zhì)保量做出來(lái)？

2015年底，拿到訂單的北方夜視就立即行動(dòng)了起來(lái)。

北方夜視總經(jīng)理孫建寧說(shuō)：“公司2016年開始生產(chǎn)線建設(shè)，幾個(gè)月就建好了，其中的生產(chǎn)設(shè)備都是我們自主研發(fā)找廠家定制的。”

功夫不負(fù)有心人。2020年9月7日，北方夜視承擔(dān)的訂單任務(wù)按時(shí)完成，全部發(fā)貨到位于廣東的江門中微子實(shí)驗(yàn)光電倍增管測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

在光電倍增管研制、工程化和批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，全體合作組成員密切合作，不斷優(yōu)化工藝和提高成品率，使得探測(cè)效率由早期的27%穩(wěn)步提高到30%，成品率由原來(lái)的50%逐步提高到80%，達(dá)到電真空器件的國(guó)際領(lǐng)先水平。

王貽芳說(shuō)：“我們得到了最好的光電倍增管，同時(shí)也得到了非常優(yōu)惠的價(jià)格。”

北方夜視也通過(guò)參與研制光電倍增管項(xiàng)目，開拓了新的領(lǐng)域和增長(zhǎng)點(diǎn)，積累了技術(shù)和人才，甚至振興了國(guó)內(nèi)光電倍增管行業(yè)。

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，光電倍增管合作組后續(xù)又不斷開發(fā)新的光電倍增管產(chǎn)品，應(yīng)用到核技術(shù)、醫(yī)療診斷、石油勘探、環(huán)境保護(hù)等更為廣闊的領(lǐng)域，帶動(dòng)了上下游企業(yè)的發(fā)展。

如今，北方夜視已從一家原來(lái)純粹生產(chǎn)微通道板的企業(yè)，發(fā)展成為具有很強(qiáng)研發(fā)能力的高科技公司。

王貽芳說(shuō)：“跟我們科研人員合作，企業(yè)也學(xué)會(huì)了如何做前人從來(lái)沒有做過(guò)的事情?？蒲腥藛T和工程師在訓(xùn)練方面有本質(zhì)的不同，兩者結(jié)合是最理想的技術(shù)發(fā)展模式之一。”