作者:郝俊 来源:中国科学报 发布时间:2013-9-6 9:09:48
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记严东生院士:闪烁晶体之缘

 
“我并没有为自己设计一生,但确实比较顺。”严东生说,这种“幸运”背后有两个因素,“一是有人关心我;第二,不辜负关心我的人对我的期望。”
 
■本报记者 郝俊
 

严东生 1918年2月10日生于上海,祖籍浙江杭州,我国著名材料科学家。1935年考入清华大学,1941年毕业于燕京大学获硕士学位,1949年在美国伊利诺伊大学获陶瓷学博士学位,1950年回国。历任中科院冶金陶瓷所研究员、室主任,上海硅酸盐所副所长、所长,中科院副院长、党组书记等职。我国无机材料科学技术的奠基人和开拓者之一。1980年当选为中国科学院院士,1994年当选为中国工程院首批院士。
 
常人眼里,寻找“上帝粒子”似乎是专属于高能物理学家的探索之旅。然而真实的情况是,它同样汇集了众多其他领域科学家的智慧和心血。我国著名材料科学家、“两院”院士严东生,就是其中一位。
 
2012年夏天,欧洲核子研究中心向全世界宣布,大型强子对撞机的CMS和ATLAS两个对撞点的实验显示,他们发现了一种新粒子,其特性与被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子一致。
 
消息传来,让95岁的严东生一阵欣喜。于他而言,这一重大进展有着特殊的意义。大型强子对撞机CMS探测器上的闪烁晶体,是他率领团队取得的科研结晶,也正是这种奇妙的晶体,“捕捉”到了“上帝粒子”的踪迹。
 
严东生的一生未曾离开过材料科学研究。然而回望来路,令他最为难忘的往事,便是与闪烁晶体结下的这段神奇“缘分”。
 
丁肇中的“任务书”
 
故事还要从30年前严东生与诺贝尔物理学奖获得者、著名高能实验物理学家丁肇中的一次会面讲起。
 
1982年的一天,丁肇中在北京找到了严东生。一见面,丁肇中就问:“你们能不能做闪烁晶体BGO?尺寸要很大很长。”
 
彼时的丁肇中,正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,他计划采用新型锗酸铋(BGO)做探测器中的核心部件——电磁量能器,以进行高能物理实验研究。
 
丁肇中所领衔的是一项举世瞩目的科学大工程,吸引了来自十余个国家的五百多名科学家共同参与。他们希望借助对撞机能够发现新的基本粒子和物质运动规律,而这一实验中探测基本粒子的核心材料就是BGO晶体。
 
“这是一个新的问题、新的挑战,但我愿意试一试。”严东生意识到,参与其中将具有重要的科学意义,于是当即应允。
 
然而丁肇中的要求近乎苛刻,他所要的BGO晶体必须是长度达30厘米的大尺寸、高质量闪烁晶体,此前国际上从未有人实现。另一方面,美国、法国和日本的科研机构同时参与了这个项目的竞争,“谁拿出最高质量的晶体,就把任务交给谁”。
 
“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。”严东生回忆,经过比较,硅酸盐所研发的晶体在性能、价格方面占据优势,最终拿到了这一国际项目的“任务书”。
 
然而紧接着摆在严东生面前的,却是更为艰巨的挑战:丁肇中要求硅酸盐所必须在5年之内完成12000根BGO晶体的生产。
 
晶体生长的环境要求极为苛刻,每年数以吨计大批量生产大尺寸、高质量的闪烁晶体,被认为是一项“史无前例”的任务。
 
在激烈的竞争中,严东生率领团队打出了一场漂亮的胜仗。1988年,他们提前一年完成了全部晶体的研制任务。与此同时,硅酸盐所还开发出一套新的生长工艺,并建立了包括坩埚熔炼加工、晶体生长、晶体加工和晶体性能测试在内的生产流水线,锻炼出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,上海硅酸盐所的产品得到唯一的一个满分。
 
完成BGO晶体任务后,严东生受邀前往欧洲核子研究中心参加探测器工程实验组全体大会。一个小时的演讲中,他全面介绍了上海硅酸盐所研发BGO晶体的成就以及对工程所作的贡献,会场掌声阵阵,与会的国外科学家对中国的科技成就刮目相看。我国无机闪烁晶体的国际地位由此得以奠定。
 
严东生笑着回忆,那时的丁肇中逢人就说:“谁要BGO晶体,就到中国科学院上海硅酸盐研究所去!”
 
不一样的“中国制造”
 
丁肇中的这番话并非虚言。时隔数年之后,欧洲核子中心为了找到合适的晶体,再次邀请严东生出马。
 
这一次的合作,源于人类科技史上具有里程碑意义的一项伟大计划——大型强子对撞机(LHC),它将被用来寻找被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,揭示物质的“质量之源”,并由此探索宇宙起源的奥秘。
 
为了建造大型强子对撞机中的CMS探测器,需要数以万计的新型钨酸铅(PWO)闪烁晶体来制造其中的“心脏”部件——电磁量能器。此前研制BGO晶体的成功合作经历,让欧洲核子中心再度寄望于上海硅酸盐所。
 
“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机遇。”然而严东生深知,PWO是一种崭新的闪烁晶体,人们当时对它的研究很少,更谈不上大尺寸晶体生产的工艺技术。
 
在严东生的努力助推下,硅酸盐所与欧洲核子中心CMS探测器组的PWO晶体研究合作得以开展,然而进展却并不顺利。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。”严东生心中所想,只是希望我国的晶体材料科学保住在国际上的一席之地。
 
直到2003年底,欧洲核子研究中心与俄罗斯的合作出现麻烦,才请求与严东生团队继续合作,但需要他们在2008年3月底之前提供全部晶体。
 
“这种形势下,我想到的是作为一个科学家的责任和使命。”严东生毫不犹豫地同意了对方的要求,亲自领导PWO晶体课题组进行攻关。
 
PWO晶体的结晶结构复杂,生长困难且极易开裂,而用于生长晶体的原料极不稳定,会直接影响晶体质量。这一切都让严东生放心不下。
 
尽管年事已高,但严东生坚持要亲自跑去位于江苏昆山的原料生产工厂,向工厂领导和工人师傅们强调项目的重要国际意义,还钻进车间现场查看生产情况,分析引起原料质量不稳定的原因,共同讨论应对方案。
 
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。结果是,“Made In China(中国制造)”的PWO晶体发光量比俄罗斯生产的晶体高出20%~40%,综合性能更优。
 
按照合同,上海硅酸盐所将约5000根高质量的大尺寸PWO闪烁晶体成功按时交付欧洲核子研究中心。半年后的2008年9月20日,大型强子对撞机(LHC)正式运行,开启了人类揭示宇宙起源的征程。
 
与此同时,处于LHC“心脏”部位的PWO闪烁晶体开始履行使命。闪烁晶体被光速运行的高能粒子轰击,在几纳秒内迅速发光,又迅速消退以迎接下一个粒子的到来,由此不停捕捉、分辨着各种高能粒子,可谓“粒子神探”。
 
为了感谢中国科学家对LHC所作的重大贡献,欧洲核子中心向上海硅酸盐所颁发了CMS晶体奖。严东生未能亲身前往瑞士参加颁奖仪式,通过视频会议在上海发表获奖感言的他,已是90岁高龄。
 
“最大的遗憾是没有遗憾”
 
回望科学生涯,严东生说自己最好的时光是从60岁开始的:“1978年改革开放那一年,我60岁;2008年改革开放30年,我90岁。这30年是我事业最好的时候,身体也是最好的时候。”
 
晚年迎来事业高峰,这是一种遗憾,还是一种幸运?
 
“我很庆幸能够贡献自己的一切。”而要说有什么遗憾,严东生则笑言,“最大的遗憾是没有遗憾”。
 
的确,严东生有着近乎完美的科学人生,他走过了一个科学家应当走过的最标准路径。
 
1935考入清华大学,抗战爆发后转入燕京大学;1946年赴美留学,两年内以全优的成绩获博士学位,并被授予4个荣誉学会“金钥匙”;新中国成立后,为实现“矢志科学,许身报国”的心愿毅然回国,进入最权威的科学机构工作,并拿出了世界级的科研成果。
 
“我并没有为自己设计一生,但确实比较顺。”严东生说,这种“幸运”背后有两个因素,“一是有人关心我;第二,不辜负关心我的人对我的期望。”
 
而每逢跟人谈起过往成就,严东生更喜欢列举出他人的种种贡献,他常说:“荣誉归功于和我一起工作的同志们。”
 
《中国科学报》 (2013-09-06 第6版 印刻)
 
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