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逆境中奋起,大国重器的国产化如何铸就?

江门中微子实验35.4米的有机玻璃球壳顶部 | 汤臣科技提供
 
导 读
 
大科学装置,常常称之为国之重器。
 
中国的科学大装置,尽管从数量和个体规模上与发达国家尚有差距,但近些年也加大了追赶步伐。据《国家重大科技基础设施建设 “十三五” 规划》,到2020年,投入运行和在建设施总量55个左右,并按照 “成熟一项、启动一项” 的原则,优先布局了10个建设项目,同时围绕上海张江、北京怀柔、安徽合肥和粤港澳大湾区4个国家级科技创新中心,布局和建设了一大批大科学装置。最近,“地球系统数值模拟装置” 落成启用;高能同步辐射光源(HEPS)首台科研设备安装;今后的几年,陆续会有很多大装置投入使用的消息。
 
科学大装置,不管是为某一个科学目标而建造,还是作为服务用户的公共平台,都为核心器件和关键技术的国产化提供了宝贵的契机。预计2022年建成并开始运行取数的江门中微子实验,其中的关键器件的自主创新历程,就是一个值得参考的案例;他们所遭遇的困境和趟过的路,或许也能为更大范围内科研仪器的国产化提供一些启发。
 
撰文|邸利会
 
责编|陈晓雪
 
在汤月生眼里,像王贻芳这样的高能物理学家,多少有些天马行空。
 
就说他接手的这个项目,造一个直径35.4米的有机玻璃球壳,全世界都找不出第二件。当初听说中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)要找厂家造这么大一个球,他压根就不信。在他的认知里,这是不可能实现的。
 
当然,多方打听再加上亲自登门求证,才知道这是真事,不是开玩笑的。在后来的接触过程中,他也慢慢了解到,这个球是干什么用的——
 
原来是作为中微子探测器的一部分,将来要安置在广东江门打石山下700米,里面灌上2万吨的液体闪烁体,外面布上2万只光电倍增管,再整个泡在直径43米的圆柱形水池里。而距离打石山53公里处,有两座核电站,到时候核电站发出的中微子到达探测器后,激发球壳里的液体发出闪烁光,光穿过球壳被光电倍增管捕捉,转变成电信号记录下来,然后再分析是不是中微子导致的 ……
 
这一长串已经是简化的描述,差不多要把人搞晕,这么大一个球壳的建造也是绝无仅有,可接下来再看这个球壳的一系列特殊需求,简直就成了 “有” 理取闹(物理学家的那些道理)——不能添加抗紫外成分,透光度要好,材料越纯净越好,不能有放射性,当然更不能形变、开裂 ……
 
从父辈1990年代做麻将算起,汤月生在有机玻璃这个行当也30多年了,做过上海世博会英国馆的“种子圣殿”,做过高铁的隔音屏障,什么项目没见过,没见过这样奇葩的。
 
不过,更奇葩的还在后面。对于这样一件订制的大物件,王贻芳砍起价来却是一点都不手软。当然,这也暴露了实验物理学家 “精明” 的一面——事情要做成,钱能少就少。
 
“王所长特别能砍价。” 汤月生笑着回忆说,“我们去参加竞争性磋商的时候,他就不断让你去报价,一次次报,一次次嫌高,最后我就没办法。我记得我当时去的时候,很多人在,我说,王院士,这个项目我很想做,因为有挑战,也能推动我们公司发展,成了也有名气,但你对这个价格不满意,我们已经到了不赚钱的地步,你还叫我再去报,我还会继续报,但未来每次只降一块钱。他听了就笑了,就知道再降就做不了了。”
 
最终,汤月生领导的汤臣科技花了1.08亿元中标。
 
国产化的背后
 
去年12月12日,大亚湾中微子实验装置退役。这一以中美为主的国际合作项目,因发现了新的中微子震荡模式而广受关注。(《科学》杂志曾引用实验的合作者、美国托马斯杰斐逊国家加速器装置的 Robert McKeown 的话,该结果 “可说是中国迄今做出的最重要的物理结果”。)
 
接班大亚湾的,正是江门的中微子实验,主要科学目标是测定中微子的质量顺序,预计总投资22亿元,远超大亚湾投资的2.4亿元。
 
不过,话说回来,造这么一个复杂的大型科学装置,有时候还不是能砍多少价的问题,而是预算够不够花,核心器件能不能买得到的问题。这就不得不说起,布在有机玻璃球壳外的核心器件——光电倍增管。
 
就像光刻机那样的高端仪器一样,很多细分市场经常是有且仅有一家生产商。江门中微子实验使用的20寸光电倍增管,此前只有日本滨松一家可以生产,售价一般在5万元到6万元一只。
 
“大亚湾的话就用了2000多只,8英寸光电倍增管,江门中微子实验我们计划用2万只20英寸的光电倍增管,如果自己不做,采购成本是非常高的,而且你是受制于人,不一定能买得到。” 高能所特聘青年研究员钱森告诉《知识分子》。他是江门中微子实验光电倍增管研制的核心成员。
 
此前,美国能源部出资,从日本滨松购买了2000多只8英寸光电倍增管,大亚湾实验得以顺利进行;而今天的江门中微子实验,美国能源部已经要求美方的科学家,如果拿了该部的钱将不能参与中国的江门中微子实验。
 
单单要高能所拿10亿人民币买管子,太贵了。如果是少量的几只还好,也许可以买;但2万只,只能找工厂做——国产化似乎成了唯一的选择。
 
而对于35米有机玻璃球壳,尽管只是独一件,但因为要求高,工艺复杂,国外的公司也要从头研制,而且也不见得可以胜任。
马晓妍(右一)和汤臣科技董事长汤月生(右二)、高能所所长王贻芳(左一)、江门中微子实验中心探测器负责人衡月昆(左二)查看车间生产情况 | 汤臣科技提供
 
“其实,我们做这么大一个球,大家都没做过,国际上做的最大的一个12米直径的有机玻璃球,是SNO(加拿大安大略省萨德伯里2100米深的中微子探测实验)实验,是美国一家有机玻璃公司做的,当时现场建造的过程中出现过开裂,然后反复进行修补,折腾了2年才完成。” 高能所实验物理中心机械组组长马晓妍告诉《知识分子》,“事实上,江门中微子实验,这家公司最初也联系过我们,但因为要在现场建造一年,报价非常高。”
 
在此前的大亚湾实验中,4米有机玻璃罐是美国生产的,3米有机玻璃罐是中国台湾生产的,当时实验组也试图在中国大陆寻找有机玻璃厂,但十几年前,这些厂子大多是小作坊,根本没办法满足高能物理实验的复杂要求。
 
那么,这一次的江门实验,有企业接么?能实现中国造么?
 
“当时这个(有机玻璃球)项目,领导给我们定的现场安装工期是9个月,当时我们就觉得好恐怖,人家12米直径的球都做了两年,然后国内还没有一家公司做过,别说35米,连12米都没做过,怎么做,怎么拼,怎么吊装,能不能满足我们要求,心里真的是没底。” 马骁妍说。
 
而对于钱森,面对同样紧迫的光电倍增管国产化任务,心里也没着落,只能先调研看看。
 
挑战巨头
 
其实,早在90年代,高能所就开始尝试光电倍增管的国产化,但有点“零敲碎打”,一直不太成功。2008年10月,钱森写完博士论文后,即将从高能所毕业,王贻芳建议他留下来集中做光电倍增管。那时,大亚湾实验尚在建设当中。而刚开始的两年里,专职做这件事的也只有他一个人。
 
“博后的两年是比较辛苦的,有三份活,一是挂着做大亚湾实验的名,同时接着北京谱仪(BESIII)的束流实验,真正做的光电倍增管的事情却是不能对外说的,因为属于前期预研。” 钱森回忆道。
钱森在实验室检测光电倍增管
 
起初,钱森他们想把大亚湾的样管拿来,尝试让一家企业进行仿制,但后来大家觉得还是不能仿制,会有知识产权的问题,需要重新设计,同时考虑如何提高探测效率。
 
正在这时,美国华盛顿大学物理系教授赵天池向王贻芳介绍了国外一个研制大面积微通道板探测器的项目,这启发了王贻芳——也许可以将较大面积的微通道板用于大口径光电倍增管中的电信号放大,好处是收集效率高,有可能得到更多的光子。王贻芳与几位同事勾画了一个设计概念图,其思路不同于主流的 “打拿极” 型的光电倍增管。
 
2009年6月,他们申请了 “一种光电倍增管” 的发明专利,并在之后获得了俄罗斯、美国、日本、欧洲等国的专利授权。
 
但这样一个新颖的设计,却被洽谈合作的企业专家认为,脑洞有点大了,不靠谱。钱森又赶紧回来做模拟验证。确认想法靠谱后,经过几番的考察,好不容易从两三家企业里敲定了一家,但没想到的是,接下来双方的合作也并不顺利。结果花了几十万的经费,拖了两年的时间,最后的样管性能却不行。
 
钱森他们曾一度陷入绝境。
 
在光电倍增管这个行当,可供选择的企业本就不多。1988年3月,日本滨松成立北京滨松,从事光电倍增管的生产和销售,强手之下,原来的几家国内企业逐渐凋零,艰难求生。一家做微通道板的公司——北方夜视请的专家甚至认为,光电倍增管是夕阳产业,不值得做。
 
好在机会还是垂青努力的人。2010年,钱森在展会上偶然认识了微通道板领域的专家刘术林。在他的引荐下,中科院西安光学精密机械研究所(以下简称西光所)表示愿意合作。2011年,刘术林的老东家北方夜视也突然 “回心转意”,表示愿意继续合作。
 
“再次合作,我的理解是北方夜视新上任的领导,也想突破一下,看看有没有什么新的增长点和契机;另外,之前两年也有一个样管了,初步结果有了,至少验证了这个思路不是不行,原理验证已经成功了。” 钱森说。
 
这一年年底,由高能所牵头,北方夜视、西光所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成的合作组成立。经过两年多的折腾,新型光电倍增管的预研正式启动。
 
联合研制
 
和光电倍增管一样,35米直径的球壳,有厂家愿意造是个小概率事件。
 
1.08亿的订单,听起来不少,但汤月生坦言,这是个不赚钱的项目,当时接下来的时候,也没办法算的很准,因为很多需求都还不知道怎么实现。
 
“这么大一个球,在我的认知里,是不可能实现的,” 汤月生告诉《知识分子》,“但确实要做这么个东西,我又很想去试试,因为有机玻璃是我的专业,我就特别感兴趣。”
 
汤月生的父辈在90年代生产麻将起家,到了他这一辈,市场已经饱和,没有多少利润可言。2010年上海世博会,他创建的汤臣科技一举拿下英国馆的订单,为其主建筑 “种子圣殿” 供应了6万根压克力杆,之后还得到了英国驻上海领馆的嘉奖。
 
“从那一次以后,实际上对我的人生的发展就像一个转折点一样,我发现人家为什么看不起我们,就是因为做的还不够好,你真的做得好的话,人家还给你颁奖是不是?从那个时候开始,我就开始了真正的研究,我们要做就做好,在这个领域把它做到极致。” 汤月生说。
 
正是看准了大球壳不同寻常的苛刻需求,汤月生积极主动地希望接下这个项目,甚至在高能所来厂考察时还安抚他们—— “你不找我做没关系,我先试着做一套生产系统,不做你们项目,其他项目也能用得上,你们不要有什么压力就是。”
 
在高能所先期考察的三家企业里,汤臣科技是最晚接触的一家,最终却成功拿下了这个项目。
 
“我们为什么敢选它,从接触的这几年里,发现它有自己的研发团队,遇到问题会去琢磨思考怎么解决,很快就能给到反馈,这个是让我们比较高兴的,你不能找一个很被动的,要你指挥才做,得有主动性才行。” 马骁妍说。
 
不过,面对如此复杂的项目,高能所也付出了相当的努力。就在几天前,马晓妍他们还邀请外部专家去厂里一起开会,解决将来有机玻璃球现场制作过程中所面临的温度控制难题。一次次的开会、模拟、试验、测试,磨平了一道道棘手的技术难题,一个个精细的工艺参数。
 
“其实像我们这些大科学工程,不可能是个交钥匙工程,从我工作以来参加的这么多项目里,就没有哪个说是给了钱就可以等着拿东西,一定都是需要双方一起去攻克很多关键技术,因为都是没干过的事情,一定会出现很多问题。” 马骁妍说。
 
为了满足大球高透光率,低放射性等的要求,汤臣科技也专门为这个项目配备了生产线,新建了巨大的24小时恒温车间,改进了工艺流程和参数,这里面的很多投资都是预算之外的。
 
同样,20寸光电倍增管的研制,也充满着挑战和不确定性。新的设计究竟能不能实现设想中的理想性能,也只有努力了才知道。
 
和马骁妍他们一样,一线工作的钱森和企业技术人员、工人们密切合作,趟过一个个的坑。“所谓联合攻关,就是企业遇到什么问题,高能所就把能调动的资源都调动起来,请专家驻扎到工厂,甚至把测试设备都搬到现场,一起解决问题。” 钱森说。
 
另一方面,北方夜视的执行力也让钱森刮目相看——“这些生产设备都是他们自主研发找厂家定制的,2015年底夜视拿了15000只的订单,2016年开始生产线建设,几个月就建好了,就说明执行力是真的强,一旦定下来就说一不二,这点和一般的研究机构很不一样。”
 
收获与挑战
 
2020年9月7日,经过11年的探索和联合攻关,15000只20英寸光电倍增管完成,发货江门中微子实验现场。按照当初的采购合同,光电倍增管的项目花费了2.7亿人民币,平均一只1.8万,比滨松当初的售价节省约三分之二。
 
直径35米有机玻璃球壳生产任务也接近完成,几个月后就可以陆续运抵实验站现场,进行最终的拼接聚合。
 
“国外做是6个亿,我们才1.08亿,虽然没赚钱,我为能参与到这个一个项目、为国家科技出一份力而自豪。然后做全世界最大的一个有机玻璃球,这么多要求,做下来对我们是一种提升。每个人的定位不一样,我这样想了,就弱化赚不赚钱那一块了。” 汤月生说。
 
如今,通过这个项目积累的技术,已经应用到了汤臣科技承建的其他项目中,进一步夯实了其竞争优势。而北方夜视也通过该项目,开拓了新的领域和增长点,积累了技术和人才,甚至是挽救了濒临倒闭的国内光电倍增管行业。
 
“原来南京公司200多人,重点是生产,最近10年我们的总体战略有调整,是以研发为主的产研一体化,现在将近300多人,其中50%以上都是研发人员。” 北方夜视科技(南京)研究院有限公司党委书记孙建宁告诉《知识分子》。之前的北方夜视是中国兵器夜视院集团下属的夜视股份的南京分公司,如今是一个新的独立法人研发机构,叫北方夜视科技(南京)研究院有限公司,改名背后也折射出对研发的重视。
 
单从这两个项目看,国产化似乎还完成的不错,但仔细思量,科学大装置乃至科学仪器的国产化依然充满挑战。
钱森(右一)和北方夜视光电倍增管项目技术骨干司曙光(左下)等研发成员在一起。
 
首先,很多大装置的器件不仅要求高,还是 “孤品”,缺乏大量的市场需求。私人订制往往容易成了 “一锤子买卖”,缺乏可持续发展的空间,企业也不容易接。
 
“如果实验需求就一家,其他实验也不用这个东西,或者说国内没有其他同类型需求的实验,那么就没办法支撑厂家继续有这么一个产品;在其它国家,比如美国,就不一样,它有很多的大装置,某件东西随时都可以买到,因为有各种各样的实验都有这样的需求。” 麻省理工学院博士后肖梦娇告诉《知识分子》。他曾参与了PandaX暗物质探测实验和江门中微子实验。
 
当然,得益于中国经济实力、工业水平的提高以及专业人才的积累,近些年,国内建造的科学大装置如雨后春笋般涌现。据《国家重大科技基础设施建设 “十三五” 规划》,到2020年,投入运行和在建设施总量55个左右,并按照“成熟一项、启动一项”的原则,优先布局了10个建设项目,同时围绕上海张江、北京怀柔、安徽合肥和粤港澳大湾区4个国家级科技创新中心,布局和建设了一批大科学装置,这为一些共性的器件创造了可观的市场。
 
的确,北方夜视在江门中微子实验的光电倍增管项目之后,也拿到了高海拔宇宙线观测站(LHAASO)、爱因斯坦探针卫星项目、高能宇宙辐射探测设施HERD项目等的订单。
 
只是,高能实验毕竟还是少数,光电倍增管更为广泛、常态性的应用是在医疗诊断、石油勘探、环境保护等领域。在做完这个项目后,为了可持续发展,北方夜视已经在开发新的产品,将主战场转移到这些更为广阔的领域。
 
“光电倍增管这个行业,这么多年下来,突然间有一段时间,没饭吃了,身体垮了,高能物理就好比一剂补药,一下子给它补起来了,但你不能老吃,也没那么多补药,还得吃正餐,正餐是什么?就是分析仪器这样的常规应用需求,后续发展还是要靠正餐。” 钱森说。
 
要吃 “正餐”,就意味着要和传统的巨头 “刚正面”,这显然不是容易的事。
 
日本滨松的强大,不仅在于其品类的齐全,还在于与下游的整机厂商建立了紧密的供应链条和接口,用户要更换光电倍增管这一个器件,往往也牵扯到其它的硬件、软件的适配问题,可以说,单点突破已是不易,打造生态更难。
 
更严峻的是,长期以来,国内的用户也奉行 “拿来主义”,用惯了进口的产品,甚至多花钱也愿意;而反观国内的企业,即使做出来国货,也因为没有足够的用户使用,无法实现技术迭代和升级,还没长大就已经惨遭抛弃和淘汰。用户的教育和培养,品牌的建立,都不是一日之功。
 
“我们科研人员本身就是很多科学仪器的用户,要支持国产仪器企业,给机会试用他们的产品,帮助他们提高,宽容失败,而不是一味的抱怨不好用。实际上,只要给到用的机会,他们是可以一步步提升的。” 钱森说。
 
事实上,科学大装置,不管是为某一个科学目标而建造,还是作为服务用户的公共平台,都为核心器件和关键技术的国产化提供了宝贵的契机。也许若干年后,当我们回看这些巨型的装置,不仅带给我们激动人心的科学发现,其中引领性的技术突破和沉淀,也能在更大的范围内惠及企业发展和国计民生。自主创新之路从来不是容易的,正如江门中微子实验中的光电倍增管和有机玻璃球壳,但只有努力去做,才有成功的可能,不是么?
 
 
参考资料
 
1. 《关于印发国家重大科技基础设施建设“十三五”规划的通知》,https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201701/t20170111_962219.html
 
2. 西桂权等,中国大科学装置发展现状及国外经验借鉴,科技导报2020,38(11)。
 
3. 王贻芳,白云翔,发展国家重大科技基础设施引领国际科技创新,管理世界,2020年第5期。
 
4. 无处不在的光电倍增管,http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741602.html
 
5. 谁最早发明了光电倍增管?http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741583.html
 
6. 中国“猎眼”诞生记,https://mp.weixin.qq.com/s/b1z_Rp5AtAkwvqbfz0ZYPA
 
7. 江门中微子实验简介,http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/JUNO_gaikuang/201308/t20130802_3908078.html
 
8. Physicists in China Nail a Key Neutrino Measurement, https://www.sciencemag.org/news/2012/03/physicists-china-nail-key-neutrino-measurement



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