点滴积累,铸就精彩——从物理学系核物理专业到低能核物理研究所

吴 颖,张荟星,熊馨然,张梓阳,谷依诺,桑海波

(1. 北京师范大学 物理学系,北京 100875;2. 北京师范大学 核科学与技术学院,北京 100875)

1955年,是中国核事业诞生的日子.1958年,核工业建设全面铺开,原子能事业发展步伐加快,根据国家需要,北京师范大学物理学系成立了核物理专业.1979年,以核物理专业为基础,北京师范大学低能核物理研究所暨北京市辐射中心正式成立.1987 年,在其实验基地的基础上成立了北京市射线应用研究中心,学研产一体化格局初步形成.60多年来,北京师范大学低能核物理研究所(简称低能所,现核科学与技术学院)在核科学与技术的理论、实验和应用研究方面,特别是在强流离子束技术、材料表面改性、X 光调控技术等领域形成了独具特色的研究方向,取得了许多在国内外具有较大影响力的研究成果.

从1958年建立核物理专业到1979年独立成研究所,这段时期发生了什么呢?为此,我们找到了1955年就读于北京师范大学物理学系,毕业留校任教,后到低能核物理研究所工作的张荟星老师,来了解当年的那些事.张老师长期从事离子注入研究工作,并曾于1992年—1997年担任低能核物理研究所所长.

在北京师范大学低能核物理研究所的建立过程中,物理学系起到了十分重要的作用.从核物理专业的建立到低能核物理研究所的建成,物理学系看着它出生、支撑着它成长、陪伴着它从物理学系的一个专业逐渐变成能够独当一面的研究所.

图1 采访时的张荟星老师

时代助推起,物理学系核物理专业筹备初建立

1958年教育大革命被提出,在党中央“向科学进军”的号召下,北京师范大学物理学系开始了对原子能和无线电的研究.当时的物理学系被分成几个部分,有的人去天文台帮忙,有的人到一些工厂继续搞教学研究…….“这是一个很培养人的时期”,张荟星老师这样描述,“这个时期,在学校的大力支持下,大家的研究搞得热火朝天,还记得那个时候经常夜里要搞到十二点、一点,当时学校里送来夜餐,有馒头、咸菜、粥之类的,大家就在屋里吃,吃完之后就继续干活,我曾经就有3天3夜没有回家,站在实验室里,靠着就睡着了.”也是这一年,物理学系核物理专业成立,创始人周瑞英老师筹集项目资金,广纳人才.周老师慧眼识珠,找到了当时作为物理学系大三学生的张荟星老师,来到了中国科学院兰州分院,在这里学习了一个月的时间.

北京师范大学物理学系的老师和学生们开始研制质子静电加速器.关于加速器,有许多的工作要做：高电压、真空加速管、粒子源等.这个工作当时是很多人一起完成的：有人抽真空,有人做加速管,甚至其中一个圆形的零部件是当时物理学系的学生们一锤一锤砸出来的.在所有人的共同努力下,这个静电加速器于1959年正式建成了.这个装置还作为了十年国庆的献礼.“虽然这个加速器没有参与后来的工作,但在那个时候有比较重大的意义”.50年代的北京师范大学,在外的形象就是一所从事教学研究,培养教师人才的大学,那些物理学系的学生都是师范生,张荟星老师回忆,“当时外界在知道我们居然能做出这样的科研成果后,都十分震惊,当然,这件事情的成功,在精神上也给了大家很大的鼓舞,坚定了大家科学研究的决心和信心.”

随着这几年中人才、技术、知识等的积累,1960年北京师范大学物理学系新增设了原子能(简称第一研究室)、无线电两个专业.第一研究室成立后,最初想建造一台回旋加速器,当时物理学系组织了十几人的队伍,包括未毕业的学生,后因技术和财力不足而停建.

发展逐壮大,低能核物理研究所独立自成所

张荟星老师在1958年于兰州主要学习高压倍加器(中子发生器)相关的知识,一月回校后,便开始准备筹建我们自己的400 kV高压倍加器.1962年,北京师范大学物理学系建造400 kV高压倍加器的项目正式启动.张老师有在兰州学习的经历,作为项目的总设计师,他与同仁们共同合作,从设计原理、设计图再到装置元件都是自己研发制作,终于建成了当时国内完全自主建造的高压倍加器.“在我们建好、通过鉴定后,当时全国有好多单位来我们这里做实验,这让我们一下就在这个领域出名了.后来即使是在文革期间,这台设备也一直在运行.在这个机器上做了很多核反应实验,为原子弹的参数做了一些贡献.北大的陈佳洱等老师也曾在师大的这台中子发生器上开展一些工作,在原有基础上把原来的直流束改成了脉冲束.”

在高压倍加器建成后,1969年下半年,北京师范大学物理学系核物理专业又承担了北京市696项目.该项目由北京师范大学物理学系负责,有色金属研究院参加,目标任务是研制一台200 kV半导体重离子注入机.该机于1970年建成并在国内首次用离子注入法制备出了太阳能电池,之后国内近百家单位都来使用这台设备开展半导体离子注入工作.

1977年,北京师范大学物理学系核物理专业举办离子注入学习班,在当时开展了多期,吸引了全国许多大学师生前来学习,为我国原子能事业培养了一批专门人才.张荟星老师讲到,“最开始半导体二极管是用扩散法制作的,就是将硅和硼放进一个装置里,通过加热将硼渗透到硅里面去.这种方法有什么问题呢?它很难控制,温度很难控制,注入深度也很难控制.我们通过很多实验结果,证明它不是一个很好的技术.但是如果用离子注入的方法,我们可以将硼直接打进去,而且注入的过程可以控制.这样离子注入法就把扩散法给替代了.” “为了更好的推广这项技术,我们还组织编写了两本书.书的编著都是大家齐心合力、集体完成的.一本是《离子注入机》,另外一本是离子注入数理基础之类的.后来,国内很多单位都来要这本书,因为我们的书写的很实用.”

1978年2月,北京师范大学物理学系核物理专业研制的重离子注入机获得成功.为此北京市科技局在我校召开了40万电子伏特重离子注人机研制成果汇报会.经学校研究决定,物理学系核物理专业张荟星为出席全国科学大会的代表.同年4月学校召开教职工大会,由出席全国科学大会的我校代表王适安、张荟星,特邀代表周廷儒3位同志传达大会精神.党委书记贾震代表科学大会,向我校获奖单位授奖.物理学系原子核物理专业离子注入研究组成为受表扬的先进集体.“因为我们不仅设备精良,写了本书,还举办了学习班,我们北师大在离子束方面就是很出名的,后来我们也得到了国外的认可.” 张荟星自豪的说.

图2 1978年离子束代表团访问意、匈、法、瑞等国,图为在意大利Cofania 大学和校长们合影 (左六为李恒德院士,右起第四位是张荟星教授,左起第二位是张通和教授)

1978年,中国离子束代表团访问了意、匈、法、瑞等国,代表团由清华大学李恒德院士任团长,北京师范大学物理学系张荟星老师和张通和老师作为团员参与其中.张荟星回忆,“在建立了这个离子注入机之后,我写了一篇关于离子注入的论文,张通和老师也在这个设备上开展了一些研究工作,写了论文,我们两个带着论文参加了三个国际会议,在会议上做了汇报.可以说正是因为高压倍加器和这台离子注入机的建立,才有了后来的这些成果,也是都能核物理研究所后来发展的基础.”

“正是因为有高压变压器和离子注入机这两件成果,低能核物理研究所才能够建立起来.如果没有这几项成果,低能所就没有建立的基础了.利用建成的设备,才能够进行实验研究,所以最重要的就是这两台设备,它们为建立低能所起到了关键性的作用.包括后来能请到黄祖洽院士担任低能所的第二任所长,也是因为这两个设备建立后,很多科研单位都过来开展合作研究,我们获得了国内外的认可.而且我们这两个设备真正用了几十年,为科学研究做出了大量贡献.这两台设备是我们自己做的,不是引进技术,也不是买的国外的设备,我们完全是根据自己的条件建立起来,所以很不容易.”

图3 关于成立北京师范大学低能核物理研究所暨北京市辐射中心的批复

1987年,低能核物理研究所暨北京市辐射中心与北京市医药总公司联合组织实施“七五”重点项目,筹建北京辐射灭菌消毒医疗用品实施开发基地(也就是后来的北京射线应用研究中心),是低能所重要的产业化成果.安装在核科学与技术学院北楼的BF-5电子直线加速器是1977年由北京市科委下拨经费组织全市二十几个科研、教学单位经过近三年的辛勤努力(当时称为“加速器大会战”),终于在1979年9月通过技术鉴定正式开始运行的.当年北京市研制的首台加速器是医用加速器,为扩展加速器的应用范围,市科委决定加大能量和束流,研制工业用加速器,当时承担主要研制工作的是清华大学工程物理系、北京医疗器械研究所(现中国医疗装备与维修技术协会)和北京师范大学物理学系核物理教研室……等二十几个单位.加速器建成后,开展了大量辐照灭菌、辐照消毒、材料改性、辐射育种等辐射效应研究,并且承担了国家科委下达的24种“医疗用品辐射灭菌消毒”重大科研项目,并获得国家科学技术进步奖三等奖.之后又承担了国家科委重大引进项目“北京市医疗用品辐射消毒基地”,并建立了北京市射线应用研究中心.北京市射线应用研究中心,是我国核技术从实验室走向工业化的示范基地,被评为国家级高新技术企业,目前,射线中心及其控股公司产值突破亿元,具有良好的经济和社会效益.

图4 BF-5电子直线加速器

几十载风雨,物理学系百年庆典今朝俱欢颜

时光荏苒,北京师范大学物理学系核物理专业成立已有60多年,低能核物理研究所建立也逾40年.风风雨雨中,我们砥砺前行,一起走过;时代洪流中,我们共同发展,彼此成就.往事如烟,昔日的峥嵘岁月值得我们共同去铭记;过往已矣,未来的崭新篇章有待我们共同去开启.岁月如歌,而今我们迎来了建系百年庆典,让我们一起祝愿北京师范大学物理学系明天更辉煌!