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我国自主研制“水晶洞”成大型强子对撞机关键材料

  欧洲核子中心大型强子对撞机(LHC)北京时间9月10日正式运行。在这项投资数十亿美元的世界最大科学工程中,中国没有缺席直接关系到整个工程实验结果的核心探测器,就使用了上海自主研制的由6000根人工晶体材料组成的“水晶洞”,我国自主创新的竞争力和影响力由此得到再一次展现。

  这项超大工程坐落于法瑞两国边境,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”。就在此处,中国研制的数千根长方晶体棒,像拼接木桶那样,搭建成一段足有两三人高的“水晶洞”。这个洞能在各种粒子冲撞而过的瞬间,精确探测出它们的能量大小,以分辨和捕捉那些稍纵即逝的新粒子。

  国产关键性高能探测材料的研制成功,实现了两项重要的国际首创。在实验室里,制备人工晶体仿佛“金炉炼丹”,晶体棒从高温熔体中慢慢生长出来。这种“大尺寸掺杂钨酸铅闪烁晶体”出自中国科学院上海硅酸盐研究所,两院院士严东生带领廖晶莹、袁晖等十多人,历经14年刻苦攻关的结果。该团队自主研发出“坩埚下降法”独门工艺,使国产晶体“培育”成本显著降低。他们还在材料界首次发现一种氧化钇成分,可作为晶体的高效掺杂剂,大大提升晶体性能。因技术含量极高,每根长仅23厘米的“水晶棒”抵得上一根金条价值。

  这批中国晶体在多国激烈竞争中中标,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。鉴于此,欧洲核子中心主动要求中方增加晶体供货量,并无偿提供40千克铂金,用以制作相关模具。

  跻身这个全球最大的科学平台,国产人工晶体材料大量走向世界,上海成为批量生产中心。目前,该项目晶体还应用于美国费米国家实验室、日本高能加速器研究所、德国离子与反质子加速器等多个机构和项目。新型的钨酸铅晶体已走上更为宽广的产业化道路,沪上科研人员与国内外企业合作,开始将其用于核医疗成像设备。

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