中国科学院上海硅酸盐研究所先进辐射探测晶体与器件团队其前身为BGO晶体研究组,其建立最早可追溯到上世纪70-80年代。40多年来,历经三代人的发展历史,团队始终致力于先进闪烁晶体的基础研究、应用开发与工程产业化工作,持之以恒、久久为功,以满足国内外前沿科学装置、高端医学影像装备、高端科研仪器和资源勘探等重大应用对辐射探测用闪烁晶体与器件的需求。
上世纪80年代,团队在严东生院士、殷之文院士指导下,在国际上独创了BGO晶体的多坩埚下降生长装置和方法,研制出大尺寸、高质量BGO闪烁晶体,其各项关键性能都位居世界榜首,成功击败美国、法国以及日本的科研机构,全球独家为欧洲核子研究中心(CERN)大型正负电子对撞机L3装置提供全部12000根240mm长BGO晶体,奠定了我国无机闪烁晶体材料的国际地位。相关成果获得包括国家技术发明一等奖(1988年)、院科技进步一等奖(1986年)和第十五届日内瓦发明博览会金奖在内的多项国家/省部级奖励。
上世纪末,面向以正电子发射断层扫描技术(Positron emission tomography,简称PET)为核心的高端医学影像装备对核心探测材料的迫切需求,团队突破了高质量、高一致性BGO晶体的制备技术和批量工艺,实现了低成本量产制备,占据全球85%以上的核医学影像用BGO晶体应用份额,团队获得了全国五一劳动奖章(2003年)、上海市模范集体(2000年)等荣誉称号,晶体及器件应用得到了包括美国通用电器医疗、CTI公司(现西门子医疗)、大基康明医疗、锐视康医疗等用户高度认可,并获得上海国际工业博览会银奖(2003年)。
近年来,在面向世界科技前沿和国民经济主战场的科技创新建设中,团队始终以应用为最终牵引,坚持科学、技术和工程问题并举,以实际行动传承践行老科学家精神,传承发展,开拓创新,不断取得新业绩,
国际独家研制超长锗酸铋(BGO)闪烁晶体,应用于“悟空”号暗物质粒子探测卫星
在我院空间战略性科技先导专项等科研项目/课题支持下,根据“悟空号”暗物质粒子探测卫星研制和按期发射的迫切需求,团队开展了超长BGO晶体的制备科学与技术研究,在国际上首创了“四温区”多坩埚下降生长装置和方法,先后突破了原料处理、生长设备、生长工艺、加工工艺以及性能表征等一系列关键技术与科学问题,获得3项核心发明专利授权,实现了600mm超长BGO晶体的关键技术突破、批量制备(单炉22根)和规模化(650根)应用,并对晶体性能指标确立和数据处理方案研究做出了关键性贡献。
“悟空”号卫星于2015年12月17日成功发射,团队研制的超长BGO晶体总重占卫星有效载荷近58%,是卫星的质量“重心”、结构“中心”和功能实现的核心元件,迄今已在天运行近5年多,性能表现优异,助力“悟空”号卫星项目取得原创性重大科学发现、入选我院“率先行动”计划第一阶段59项重大科技成果及标志性进展,以及2016和2017年两次入选习主席的新年贺词。
超长BGO晶体的成功研制及应用填补了国际上该尺寸BGO闪烁晶体的研究空白,为我国首颗空间科学卫星的成功研制、按期发射和获取高质量数据提供了核心探测材料保障。目前,团队正瞄准甚大面积伽马射线空间望远镜(VLAST)建设需求,发展米级尺度超长BGO晶体的制备方法和技术,将为我国在空间暗物质粒子探测和宇宙线前沿研究提供关键探测材料支撑。
以高性价比、自主可控核心材料和关键器件促进产学研深度融合
通过晶体生长设备、工艺技术和产品结构的持续创新,团队突破了以正电子发射扫描技术(PET)为核心的高端医学影像装备用高性能BGO晶体的高效率、低成本关键制备技术,保持全球PET用BGO晶体市场占有率85%以上。
在中美贸易战的背景下,以自主可控关键材料带动核心器件和整机发展,为东软医疗等国内高端医学影像设备龙头和民族高端核仪器企业提供17余万片晶体元器件,满足了国产高端医学影像装备的发展需求,助力打破国外技术和市场垄断。
团队研制出多种规格即插即用BGO闪烁探测器,已在核物理、高端核仪器、石油测井、资源勘探和工业检测等辐射探测领域得到批量或示范性应用,关键性能指标达到国际先进水平。团队积极推进标准化工作,已牵头发布国家标准1项、团体标准2项和企业标准2项,填补了国内外BGO晶体标准制定方面空白,1项团体标准首批入选“上海标准”。
科学家精神引领开拓创新
团队继承和发扬老一辈科学家爱党报国、创新为民、攻坚克难、勇攀高峰的精神,对标成立了“殷之文先进闪烁晶体与器件攻关突击队”,面向新型激光聚变、深海/深渊专项等对关键闪烁晶体材料和核心探测器件的需求,突破BGO、BaF2:Y、SrI2:Eu等先进闪烁晶体与器件的关键制备技术,实现材料/器件在前沿科学装置的应用,支撑我国原创性科学发现和自主可控关键技术发展。通过设置探索课题,培育新兴研究方向,保持自主创新能力,促进骨干青年科研人员成长。
瞄准困扰亚纳秒超快发光BaF2闪烁晶体应用的痛点,在国际上率先开展BaF2晶体慢闪烁成分的钇掺杂抑制研究,研制出大尺寸、高质量、高快/慢成分比的BaF2:Y晶体,并获得了中国和美国发明专项授权,将在高能物理强度前沿大科学装置、超快硬X射线成像和正电子湮没谱仪等领域得到应用。围绕超低本底、高能量分辨SrI2:Eu闪烁晶体的制备科学的认识、发光机理、特性及相互关系,开展了系统性研究工作,取得了一系列的原创性认识,获授权发明专利2项,研制的高性能封装SrI2:Eu闪烁晶体有望应用于中科院战略性先导科技专项深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站-原位环境核辐射探测装备。