歷經11年自主研發(fā) 他們成功給探測器裝上國產“眼睛”

2011年底，48歲的劉術林做出了一個重大決定，舉家從西安遷往北京。

彼時，他在西安一家國企分公司擔任總工程師，也是微通道板領域數一數二的專家，事業(yè)發(fā)展順風順水，生活過得也很安逸。

讓劉術林下定決心做出重大改變的，是中國科學院高能物理研究所所長王貽芳的誠摯邀請。當時，王貽芳團隊的光電倍增管自主研制項目正陷入困境，急需劉術林助一臂之力。

此前，光電倍增管市場一直被日本濱松公司壟斷，國內連生產5英寸以上的光電倍增管能力都不具備。

“現在只有一張設計圖紙，能不能做出來還是問題，即便能做出來也得猴年馬月了吧。”有人勸劉術林不要冒這個險。

但劉術林態(tài)度很堅定：“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

在王貽芳找到劉術林之前，他已經帶領團隊在光電倍增管技術方面進行了3年的艱苦努力。

光電倍增管是一種光子探測器件，于20世紀30年代發(fā)明，后廣泛應用于醫(yī)療設備、科研設備、核技術、空間科學等方面。

王貽芳說：“它就好比是探測器的‘眼睛’，能夠把‘看到’的光子轉換成電子，再把電子信號放大差不多1000萬倍。”

2008年，正在推進大亞灣中微子實驗建設的王貽芳團隊，同時也開始謀劃未來接班的江門中微子實驗。與大亞灣中微子實驗尋求新的中微子振蕩模式不同，江門中微子實驗的主要目標是測量中微子質量順序。

王貽芳說：“為了實現這個目標，我們需要建設一個巨大的探測器，把光收集效率提高到大亞灣中微子實驗的10倍，也是國際最高水平的5倍。為此，探測器中用到的核心器件——光電倍增管的光子探測效率需提高到30%，是當時國際水平的2倍。”

難題隨之而來。

當時，國際上能生產20英寸光電倍增管的只有日本濱松公司一家，性能達不到要求，售價也高達5萬元左右一只。江門中微子實驗計劃采用2萬只20英寸的光電倍增管，單單采購成本就會高達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大尺寸、高性能光電倍增管，一切都將受制于人。”中國科學院高能物理研究所研究員錢森說。他是江門中微子實驗光電倍增管研制項目核心成員之一。

2008年10月，當時還在中國科學院高能物理研究所攻讀博士學位的錢森即將畢業(yè)，王貽芳建議他留下來參與江門中微子實驗光電倍增管的研制。

受一個研制大面積微通道板探測器項目的啟發(fā)，王貽芳勾畫了一個概念設計，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。

進而，王貽芳、錢森等又進一步細化了設計，開展了模擬驗證，確認設計沒問題。半年后，他們申請了發(fā)明專利，并順利獲得了中國、俄羅斯、美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)的發(fā)明專利授權。

沒想到，接下來卻卡在了尋求企業(yè)合作這一關。

在光電倍增管這個行當，國內當時可供選擇的企業(yè)很少。20世紀60年代，中國還有2家工廠能夠生產光電倍增管。80年代起，日本的濱松公司研制出了20英寸的光電倍增管，引領了整個光電倍增管技術的潮流，使其成為世界上最好的光電倍增管生產企業(yè)。后來，日本濱松在北京成立合資公司，從事光電倍增管的生產和銷售，原來的幾家國內生產企業(yè)逐漸凋零，舉步維艱。

王貽芳團隊查詢資料，參加各種會議，訪問了許多研究所和企業(yè)，尋求合作。但這樣一個新穎的設計，卻多次被洽談合作的企業(yè)拒絕，理由五花八門。要么是“任務太忙”，要么是“沒聽說過，這一點兒都不靠譜”。

最終，經過多次尋找和洽談，王貽芳團隊與一家研究所達成了合作意向。

開啟聯合攻關

科研人員駐扎到工廠，甚至把實驗室的設備也搬到了現場

然而，事情并不順利。過了3年時間，這項合作以失敗告終。

“我們做出來的樣管光子探測效率只達到5%，與30%的要求還相差很遠。”王貽芳說。

仔細復盤和分析后，王貽芳團隊認為，“不是設計思路不行，基本原理都已得到驗證，主要還是制作工藝不行。”找到關鍵問題后，他們又開始了新一輪的嘗試。

幸運的是，之前因為任務太忙沒能合作成功的一家企業(yè)——北方夜視技術股份有限公司(現為北方夜視科技(南京)研究院有限公司，以下簡稱“北方夜視”)又表示愿意來試一試。

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

與此同時，王貽芳聽從專家建議引進了劉術林。劉術林在微通道板領域有著非常深厚的理論功底和技術積累，對相關產業(yè)界也十分熟悉，是國內這方面的頂級專家。

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

20英寸光電倍增管的研制，充滿著挑戰(zhàn)和不確定性。新的設計究竟能不能實現設想中的理想性能，只有努力了才知道。

接下來的幾年里，科研院所的科研人員與企業(yè)技術人員、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、低放射性本底無鉀大尺寸玻殼研制等多個技術難題。

據錢森回憶，當時中國科學院高能物理研究所小組把能調動的資源都調動起來，科研人員駐扎到工廠，甚至把北京實驗室的設備也搬到了南京和西安的生產現場。

“工廠工人一邊做樣品，科研人員就一邊在現場進行中間環(huán)節(jié)的測試，然后通過數據告訴他們哪個環(huán)節(jié)有問題，哪個方向值得改進，哪個工藝可能會更好。”錢森說，“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4年艱苦卓絕的攻關，第一個20英寸樣管終于研制成功。這期間，合作組先后召開39次會議，進行了8次聯合攻關，完成了150多個研制階段的報告。

王貽芳說：“最終樣管光子探測效率達到了27%，距離30%的要求僅差3%。”

向產業(yè)化推進

實現批量化生產，并不斷開發(fā)新的光電倍增管產品，應用到更為廣闊的領域

此時，新的問題又來了。

達到要求的樣管只是樣管而已，關鍵是企業(yè)有沒有能力進行批量生產，能不能把上萬只20英寸的光電倍增管按時且保質保量做出來？

2015年底，拿到訂單的北方夜視就立即行動了起來。

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

功夫不負有心人。2020年9月7日，北方夜視承擔的訂單任務按時完成，全部發(fā)貨到位于廣東的江門中微子實驗光電倍增管測試現場。

在光電倍增管研制、工程化和批量生產環(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，使得探測效率由早期的27%穩(wěn)步提高到30%，成品率由原來的50%逐步提高到80%，達到電真空器件的國際領先水平。

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

北方夜視也通過參與研制光電倍增管項目，開拓了新的領域和增長點，積累了技術和人才，甚至振興了國內光電倍增管行業(yè)。

為了實現可持續(xù)發(fā)展，光電倍增管合作組后續(xù)又不斷開發(fā)新的光電倍增管產品，應用到核技術、醫(yī)療診斷、石油勘探、環(huán)境保護等更為廣闊的領域，帶動了上下游企業(yè)的發(fā)展。

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

王貽芳說：“跟我們科研人員合作，企業(yè)也學會了如何做前人從來沒有做過的事情。科研人員和工程師在訓練方面有本質的不同，兩者結合是最理想的技術發(fā)展模式之一。”