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《新民晚报》:严东生——我和闪烁晶体的神奇缘分
2010-03-11 09:10:13 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

1998年1月摄于中国科学院上海分院硅酸盐研究所  

严东生(左)与丁肇中(中)等在讨论工作  

摄于美国伊利诺伊大学求学期间                  

 
 
  ◆严东生
  
编者按
  
  今年3月是中国科学院上海分院成立60周年,为彰显科学家在推动社会进步、增强国力等方面做出的贡献,本报特联合中科院上海分院共同举办《我的科学生涯》大型征文活动。参与本次征文活动的作者皆为有造诣的科学家,通过回忆求学、成长、献身科研的点点滴滴,表达对科学的一片热忱与执著。
  
作者简历
  
  严东生 著名材料科学家。1918年2月生,浙江杭州人,就读于清华大学和燕京大学,于1939年和1941年分别获学士和硕士学位,1949年获美国伊利诺伊大学博士学位。1950年回国,历任中科院冶陶所研究员、上海硅酸盐研究所副所长和所长、中国科学院化学部常委、化学部主任。1981年至1987年任中国科学院副院长。现任中科院特邀顾问、上海硅酸盐研究所名誉所长、中国化学会理事长等职。1980年当选为中国科学院院士,1994年当选为中国工程院院士。
  
  我今年92岁了,1935年考入清华大学,1937年转读燕京大学,是美籍教授威尔逊博士和蔡镏生教授引导我进入材料科学的门槛。1946年夏天,获得奖学金赴美,先在纽约大学,后转入伊利诺伊大学主修陶瓷工学,辅修化学,在两年内,我以全A成绩于1949年春获博士学位,并被授予包括Sigma Xi、Phi Kappa Phi在内的四个荣誉学会金钥匙,这在当时毕业生中是少有的。
  
  随即,应系主任A.I.Andrews的邀请,继续在伊利诺伊大学任博士后研究员,从事无机材料的理论与应用研究。在这些科研工作中,我对无机材料研究产生了更加浓厚的兴趣。
  
  1949年10月1日,新中国成立的消息使远在大洋彼岸的我们欣喜若狂。我渴望立即回国,以了“矢志科学、许身报国”的心愿。1950年春,我毅然提前辞去伊利诺伊大学的聘约,准备“回家”了。
  
  在办离境手续时,有关当局横加刁难,拖了几个月。这年的初夏,我终于克服种种阻挠,登上“威尔逊总统”号从美国启程,踏上了归国的旅程。
  
  回国后,机遇与挑战并存,肩上的担子越来越重,事情也越来越多,但一生就没有离开过材料科学的研究,当然,谈起我与无机闪烁晶体的缘分那就有话说了。
  
遵丁肇中嘱托做大尺寸闪烁晶体
  
  一见面,丁肇中就问我:“你们能不能做闪烁晶体BGO,尺寸要很大很长。”
  
  人类发展的历史就是一部人类对材料的使用发展史。材料科学也是现代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一,是人类文明的物质基础。社会发展证明,许多高新科学技术的发展都和晶体材料密切相关。我国人工晶体材料的生长研究,起始于上世纪50年代后期。
  
  改革开放之初,上海硅酸盐研究所的科研人员在晶体研究方面,特别是闪烁晶体,已经有了一点积累。1982年的时候,我在中国科学院担任常务副院长时,诺贝尔物理学奖获得者、著名高能实验物理学家丁肇中教授在北京找到了我。当时,丁肇中在欧洲核子研究中心负责建造大型正负电子对撞机中的一个探测器——L3,他准备采用新型锗酸铋(BGO)闪烁晶体做探测器中的电磁量能器,进行高能物理实验研究。
  
  一见面丁肇中就问我:“你们能不能做闪烁晶体BGO,尺寸要很大很长。”
  
  我意识到能参与这项举世瞩目的科学大工程具有的重要科学意义,马上接受了丁肇中的请求。
  
  尽管当时上海硅酸盐研究所BGO晶体的性能在国际评比中名列前茅,但毕竟还只是在实验室里刚刚长出小尺寸晶体样品,要生长这么多数量的大尺寸、高质量晶体,面临的困难和风险是可想而知的。而且当时在法国和美国也有两家厂商已经能够生产这样的晶体。但是经过比较,在性能、价格,特别是性能上,我们还是占优,所以丁肇中先生就决定请我们生产提供他所需要的这部分晶体。
  
  我们经过研制、开发,第一年的晶体成功率只有30%,生长100根晶体只有30根的性能是完全合格的。此后几年,随着我们不断积累经验,成功率也不断提高,最后达到了80%以上。通过大家的拼搏,生长出的大尺寸、性能优良的晶体,完全符合丁先生的要求,在与美、法、日等国的竞争中大获全胜,并能提前一年圆满地完成了在瑞士正负电子对撞机上L3探测器整个工程所需要的12000根BGO晶体的供应合同。
  
  同时,我们开发了一套新的生长工艺,并建立了包括铂坩埚熔炼加工、晶体生长、晶体加工和晶体性能测试在内的生产流水线,培养和锻炼出了一支能打硬仗的科技队伍。
  
  1985年,美国国家科学基金会对各国的BGO产品进行评比时,给上海硅酸盐研究所的产品打了唯一的满分。
  
  1988年,提前完成了丁肇中实验组需求任务,为上海硅酸盐研究所在国际高能物理界和晶体界赢得了声誉。丁肇中教授逢人就说:“(谁)要BGO晶体,就到中国科学院上海硅酸盐研究所去!”
  
  这一年,在欧洲核子研究中心召开的一次有数百名来自世界各国的科学家参加的L3工程实验组全体大会上,我应丁肇中教授的邀请,作了近一个小时的演讲,全面介绍了上海硅酸盐研究所研发BGO晶体取得的成就与对L3工程所做的贡献,我的讲演博得了阵阵掌声,使国外科技界对中国取得的成就刮目相看,为国家赢得了荣誉。从此,奠定了我国无机闪烁晶体的国际地位。
  
研发PWO晶体为“大计划”做后援
  
  PWO晶体的结晶结构复杂,生长困难,且极易开裂,于是,我亲自跑到江苏的原料生产工厂,现场察看生产情况,与他们一起分析引起原料质量不稳定的原因。
  
  从20世纪末到21世纪初,我带领科研人员继续与欧洲核子研究中心合作。对方为建造大型强子对撞机(LHC)中的CMS探测器,需要数以万计的新型钨酸铅(PWO)闪烁晶体来制造其“心脏”部件——电磁量能器。由于上海硅酸盐研究所在国际高能物理界的声誉,于是他们又想到了上海硅酸盐研究所,找到了我,希望上海硅酸盐研究所能研发PWO晶体。
  
  PWO晶体由于其本身结晶结构的复杂性,生长十分困难,且极易开裂,再加上CMS探测器要求极高,特别是对晶体抗辐照性能的要求极为苛刻。由于PWO是一种崭新的闪烁晶体,人们对它的研究很少,更谈不上大尺寸晶体生产的工艺技术。
  
  我明白,LHC是当代国际上备受关注的一项重大科学工程,能参与这个工程的建设,是我国跻身于国际科技前列的又一个极好的机遇,对于发展我国的晶体材料科学技术、巩固和提高我国的国际声誉具有重大意义。
  
  在我的积极努力下,上海硅酸盐研究所与欧洲核子研究中心CMS探测器组就PWO晶体的研究开展了合作,取得了很大的进展。出于政治原因,2000年欧洲核子研究中心只与俄罗斯签订了供货协议。我们对此并没有抱怨和放弃,而是埋头苦干,不断改进工艺,提高晶体质量。2003年底,欧洲核子研究中心和俄方的合作出现了麻烦,希望能和我们继续合作,并需要在2008年3月底前将晶体提供完毕。
  
  在这种形势下,我想到的是作为一个科学家的责任与使命,要为国际科学工程做贡献,想到的是国家的荣誉,要为我们国家在国际科学界中占有一席之地,我毫不犹豫地同意了对方的要求。
  
  尽管当时我年事已高,但仍亲自领导PWO晶体课题组,从制订方案到解决工作中出现的各种难题,都狠抓落实。
  
  生长晶体需要纯度极高的原料,而生长PWO晶体用的原料有一段时间质量不稳定,直接影响到晶体的质量。我不放心,就亲自跑到位于江苏昆山的原料生产工厂,向工厂领导和工人师傅说明这个项目的重要国际意义,以充分引起他们对原料质量的重视,并深入到车间现场察看生产情况,与他们一起分析引起原料质量不稳定的原因,共同讨论提高原料质量的方案,最终使晶体的生产质量达到了相当高的水平。
  
  2004年,预生产的350根晶体在欧洲核子中心、意大利、美国等地分别进行性能检测。检测报告的结论是,晶体发光量比俄罗斯高20%-40%,综合性能更佳。这批中国生产的晶体广受国际同行赞誉。德国吉森大学雷纳·诺沃特尼教授说:“它所获得的分辨率,据我目前所知,在所有经过测试的晶体中是最好的。”加州理工学院美籍教授朱人元认为,这些晶体具有非常优秀的一致性和抗辐照能力,发光量比俄罗斯同类晶体明显高。
  
  2008年3月,上海硅酸盐研究所根据合同向欧洲核子研究中心成功交付了约5000根高质量的大尺寸PWO闪烁晶体。2008年9月20日,世界规模最大的科学计划——欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)正式运行(后因发生事故,推迟一年,于去年11月启动运行),开始了人类揭示宇宙起源,寻找质量之源的征程。
  
  这项巨大的工程坐落于法国与瑞士两国边境,在地下百米深处。它拥有一条周长达27公里的环形隧道,无数高能粒子以光速穿行其中,在经过对撞点(CMS)时,碰撞出光电“火花”。
  
  作为新一代“粒子神探”,PWO闪烁晶体在受到一个高能粒子轰击时,会在几纳秒内迅速发光,然后迅速消退,再迎接下一个粒子到来,就这样不停捕捉、分辨各种高能粒子。为感谢中国科学家们作出的重大贡献,欧洲核子研究中心特地于2008年4月向上海硅酸盐研究所颁发了CMS晶体奖。
  
  目前,新型的钨酸铅晶体已走上更为宽广的产业化道路,我们团队与国内外企业合作,开始将其用于核医疗成像设备。
  
相关链接
  
  严东生毕生致力于材料科学研究事业。他在高温材料制备科学与机理,多元氮化物与氧化物体系的热力学与动力学研究,高性能材料设计与微观调控以及陶瓷基复合材料的研究等诸方面作出了开创性的工作。他同时着眼于实际问题的解决,在高性能无机材料的基础研究和应用研究方面成绩卓著,是中国无机材料科学的奠基人。他是精细陶瓷、纳米材料科学等国家重大研究项目的首席科学家,并与国外建立了广泛的研究合作关系,他领导研制生产的锗酸铋(BGO)大单晶被欧洲核子中心选用,其质量、数量与性能均居世界第一。由于他的成就和贡献,被国外多个大学和学术团体授予荣誉称号,被国际无机材料科学界誉为最有影响的学术领导人之一。

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