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刘树彬:为探索宇宙本源提供更先进的技术手段

来源:  发布时间:2021-10-15

——记中国科学技术大学近代物理系教授刘树彬
  
王 军

  
  
  从求学到工作,刘树彬一直没离开过中国科学技术大学(以下简称“中科大”)近代物理系,他是核探测与核电子学国家重点实验室(高能物理研究所、中科大联合)的骨干成员。许多人都知道,中科大是一所著名的学府,但对近代物理学做什么研究,却不是很清楚。所以谈及所从事的工作,刘树彬总得先介绍一番近代物理学是一个怎样的存在。
  “‘Modern physics’一词在清末民初传入中国,所以被译成‘近代物理’,国内物理学家们就沿用了这个翻译,包括中国科学技术大学,当然现在有的学校也称其为‘现代物理’,研究范围涵盖理论物理、粒子物理与原子核物理、等离子体物理、原子分子物理、核电子学等。我的方向是核电子学,与实验物理相关,是在大物理背景下,研究、借鉴各种先进电子学技术,解决物理问题,涉及集成电路芯片及大规模电子学系统的设计与集成。我的工作就是:瞄准物理学的前沿研究,为它们提供支撑服务,在理论物理学家提出想法后,和实验物理学家们一起帮着实现。就像一个大食府,前面有大厨料理,而我就相当于在后厨处理食材的。”刘树彬笑着说。
  
书本上的知识活了
  
  本科能考入中科大,在刘树彬看来是一种运气。他说,一直以来他并不是那种特别聪明的学生,只是比较用功。那个时候没现在这么多竞赛、培训班,完成了作业就有很多空余时间。一道题可能别人做完就行了,他就想着能不能用不同方法求解,有没有漏洞。这份细致,也许对他近年来从事包括空间探测之类的大科学工程不无裨益。因基础扎实,在高三的一次摸底考试中,他在青岛市名列前茅。正是因为这次考试,中科大的招生老师找上门动员他报考。当时无知无畏的刘树彬,见是中国科学技术大学邀请,便兴奋地报了名。当时信息匮乏,由于是“中”字打头,他还一度以为这所大学在北京。“其实我当年最终的高考发挥并不太好,按从高到低去排名,我不一定能上这所学校,但因为有预先的承诺,只要达到相对较高一个分数就可以,所以还是幸运地考上了。”刘树彬说。多年后,尤其自己也承担了招生工作后,他更加理解了中科大这种承诺的可贵。
  1993年开学季,刘树彬坐火车到了合肥,办了入学手续,开启了在近代物理系从本科到博士的求学路。
  在中科大求学多年,对学校“全院办校、所系结合”的办学方针,“红专并进,理实交融”的校训,教学与科研相结合、理论与实践相结合的鲜明特色,刘树彬深有体会。“拿我们近代物理系来说,既有理论物理,又有实验物理,也有核电子学,学科齐全。有国外著名实验室的专家参观、访问后感慨:全世界的大学里像中科大这样,理论物理学家、实验物理学家、核电子学家聚在一起,可以充分交叉交流做研究的可以说是绝无仅有。”
  在这种氛围中,早早接触科研与实践,对于刘树彬就成了很自然的事。彼时中科大的本科学制为5年,大学三年级时他就加入实验室“快电子学”团队,跟着导师参与了一些科研工作。印象深刻的是给日本高能加速器研究机构(KEK)的BELLE实验做电子学插件,当时他的感受是书本上那些知识活了。大学四年级提前保研,中科大国家同步辐射实验室的加速器二期工程需要做束流控制,在导师和师兄的带领下,他参与到这件事中。后来,刘树彬还与华为公司合作开展总线传输、网络测试仪等的设计工作,并一直延续到博士毕业。做实验多,设计实践机会多,通过参与这些工作,他学到了不少有意思的新知识。
  在个人能力不断提升的同时,刘树彬也在考虑自己毕业后的出路。当时国内大科学装置不多,国家对基础研究的投入也没现在这么大力度,这种情况下在本专业继续走下去可能前景不乐观。当然刘树彬也可以到华为工作,虽然自己本专业与通信专业有差距,但有了合作期间打下的基础,改行也不难。但这究竟是不是自己真正想做的?刘树彬陷入纠结。
  举棋不定中,安琪教授帮他找到了要走的路。当时中科大在“北京正负电子对撞机升级改造工程”中参加了第三代北京谱仪(BES Ⅲ)的研制工作,是国内唯一承担探测器和电子学硬件研制任务的大学,由刚从美国回来的安老师负责。他找到刘树彬,想让他参与负责子课题“飞行时间探测器读出电子学系统”。舍不下多年所学,又对这项工作感兴趣,刘树彬决定留校并很快投入课题的攻关中。也是从那时起,刘树彬真正迈入了近代物理研究的大门。此后,随着高海拔宇宙线观测站、暗物质粒子探测卫星、散裂中子源等国内大科学工程、装置的不断涌现,国家对基础科学研究投入的不断增多,刘树彬所学有了更广阔的用武之地,在近代物理研究这条路上,他也越走越远。
  
为“悟空”装上“火眼金睛”
  
  从2002年留校至今,靠着务实与努力,刘树彬从近代物理系的讲师成长为教授,并成为首批国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者,2020年又获得国家杰出青年科学基金资助。作为第一位获得核电子学领域杰青资助的幸运儿,刘树彬并未觉得自己有多强,他认为主要是赶上了好时候,国家加大对基础科研的投入,一批大科学工程对核电子学有了迫切的需求,使自己的所长得到了发挥和充分展示。在他看来,这件事更大的意义在于,破除“四唯”后,让那些“把论文写在祖国大地上”的核电子学研究者看到了希望。
  将近20年的时间里,刘树彬在新型探测器及前端电子学方法、高精度时间测量、高速高精度模数变换、空间科学载荷高可靠性电子学等方面开展研究。他先后承担了数项国家自然科学基金面上和重点项目、中国科学院知识创新工程项目、中国科学院先导科技专项课题等,研究领域从地面扩展到空间。
  尤其作为主任设计师,刘树彬承担了暗物质粒子探测卫星“悟空”号唯一有效载荷的关键分系统——BGO量能器的研制工作。刘树彬介绍,暗物质粒子探测卫星是中国科学院空间科学先导专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一,也是我国科学卫星系列的首发星,其科学目标是通过更高的能段和更好的分辨率观测高能电子和伽马射线寻找和研究暗物质粒子,并有望在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展。该卫星有效载荷包括塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器4个分系统,其中最核心、最关键的就是BGO量能器。它主要负责测量宇宙射线的能谱,通过高能电子或伽马能谱测量来实现该卫星的核心探测功能——寻找暗物质粒子。可以说,BGO量能器是“悟空”能否发现暗物质粒子的“火眼金睛”。为确保BGO量能器研制成功,首席科学家常进院士首先想到的就是带领紫金山天文台的骨干回母校找近代物理系,因为那里有国内在此方向最完整的探测器与核电子学研制队伍。由于有着北京正负电子对撞机等大科学工程的经历,也参加了“嫦娥”“墨子”号等航天工程的前期预研和培训,几经酝酿,刘树彬被推举成为BGO量能器分系统的主任设计师,带领探测器和核电子学团队进行攻关。
  为满足整星的指标,刘树彬首先带领团队攻克了决定科学目标成败的三大关键技术之一——BGO晶体大动态范围读出。而后历经4年奋战,他们克服航天任务技术难度大、质量要求高、工程进度紧等重重困难,顺利完成方案样机、初样鉴定件和正样飞行件的研制。飞行件通过验收后,产品于2015年12月17日随“悟空”成功发射并交付科学应用系统。
  “悟空”在轨运行中,不仅首次直接测量到了电子能谱在TeV处的拐折,印证了以往的间接测量结果,还观测到了电子宇宙射线能谱在约1.4TeV处的尖峰,符合了比较热门的暗物质“弱相互作用重粒子”解释。“如果其他科研团队的实验数据也能证明这个现象,就可能证实这种暗物质候选粒子的存在迹象。这次科研发现意义非常巨大,因为这个装置不是跟在别人后面做的,是中国科学家自己的创新和突破。可以说是具有目前在轨最高的观测能段、最好的能量分辨率、最强本底抑制水平的装置,所以才能帮助物理学家测出最优的能谱。”刘树彬说。
  因成果意义显著,BGO量能器项目获得安徽省科技进步奖一等奖(2017年度),暗物质粒子探测卫星团队也先后获得“2018年度中国科学院杰出成就奖”“中国科学院‘十二五’突出贡献团队”等一系列表彰。对刘树彬来说,比起获奖更让他感到有意义的是能有机会参与到这件事上来。“其实地面的工程经验与航天工程经验有很大差距,探索如何让地面实验中成功的探测器和电子学稳定可靠地在天上运行,这给了我完全不同的体验。”刘树彬说。
  
做科研要全力以赴
  
  谈起所在的“快电子学”团队,刘树彬会不自觉地洋溢出自豪:“我们各有分工,虽然每个人有自己的主攻方向,但是大家经常在一起讨论,甚至激烈地去讨论,团队的氛围很开放。印象很深的是,当年做BES Ⅲ的时候,我常跟安老师为技术细节争论,以至于路过我们办公室门口的人都会瞅一眼,以为两人这是怎么了。团队倡导无论对错都要把自己的观点讲出来,没有职位、辈分之分,也没有必须得是谁服从谁,不唯‘上’只唯‘真’。”
  这支培养了目前国内核电子学领域所有“优青”的团队,在核与粒子物理的探测器读出电子学设计及实验数据获取方面极具功底。依托核探测与核电子学国家重点实验室等科研平台,团队在快电子学、高精度时间测量、快脉冲波形数字化、大规模系统设计等方面,在国内外享有盛誉,并且积累了丰富的大科学工程经验,开创了特色的实验方法。通过把握国际新探测技术和电子学的发展趋势,并结合自身特色,团队一直走在国内核电子学领域创新发展的前列。
  强大团队的助力,给了刘树彬在核电子学领域摸爬滚打的勇气。而师长、前辈的言传身教,则让他的科研精神层次获得了一次次提升。
  刘树彬说,自己很幸运在每个时期都能遇到指引自己的好老师、好前辈。小时候,是同为教师的父母教给他严谨的学习态度;高中时,是班主任、是招生老师,引导他报考了中科大;大学三年级时,是班主任叶邦角老师建议他选择了核电子学方向;在实验室做科研时,导师安琪老师总是冲在前面,带着他一起焊接、一起调试、一起写代码、一起分析问题、在调试现场一起打地铺……安老师让他看到了科研工作者身上脚踏实地的科研品质,也是安老师的当机立断,让他在博士毕业时坚定地选择了科研这条路。
  还有一些前辈,虽然没有直接做过他的老师,但也用他们对工作的敬业、对科研的热爱深深影响着刘树彬。
  “王砚方老师是快电子学团队的创建者,虽然没有直接带过我,但却用行动影响了我。他永远保持着学习的热情,现在八十几岁了,仍是天天到实验室。老一辈科学家的敬业精神让我感触很深。”刘树彬提起的还有中国科学院的常进院士。“研制‘悟空’号卫星时,虽然他是首席科学家,但平时做实验、做设计时,他总跟我们在一起讨论、一起优化解决方案。包括卫星上天后,要接收数据作分析,怕卫星过境时没在上班时间,所以晚上有通宵值班,为了在第一线掌握第一手资料他一定会给自己排夜班。”刘树彬说,“我觉得凡是成功的科学家,从上到下顶天立地,知识掌握得很全面。常院士就是这样,从空间天文到探测器硬件到电子学,他都非常清楚。高能物理所所长王贻芳院士也是这样,做北京正负电子对撞机的时候,王院士负责整个工程。他不仅对物理目标有着清晰的认识,而且对偌大加速器装置上每一处部件的性能参数了如指掌,甚至对谱仪上各探测器的电子学细节也明察秋毫。在他那里你藏不住任何东西,他督促着你,让你没有可以打马虎眼的机会。那时我刚毕业,他给我立了一个标杆:跟着他,只能用全力把工作做到最好,也自然地做一件事就成功一件。”
  刘树彬庆幸在这么好的时代,有一群这么好的科学家认真地在做事,更幸运的是自己有幸跟他们一起共事。因为榜样的力量,所以即使突发的困难让他焦虑到整晚睡不好,压力大到半夜不停地说梦话,但第二天起来,他仍然会选择继续走下去,跟那些难题死磕到底。坚持不仅带来了问题的解决,更让他获得了极致的快乐,也是这种快乐让他更执着于科研这条路。
  
响应国家号召大胆创新
  
  为前沿物理学家提供更好的方法、更先进的技术手段,是刘树彬孜孜以求的目标。为全力实现目标,他马不停蹄奔波在探索的路上。
  “悟空”号在轨稳定运行后,受国家重点实验室学术领头人赵政国院士指派,刘树彬又带领团队加入PandaX合作实验中,与上海交通大学的季向东、刘江来等科学家一起,试图在位于四川锦屏山的极深地下实验室建造新型低本底探测器,对太阳轨道附近的暗物质粒子进行直接探测。在科技部国家重点研发计划“基于惰性气体探测器的直接暗物质探测实验”项目支持下,研究工作被分解为4个课题,刘树彬承担了其中课题三——“低本底电子学系统研发”的任务。“这个课题主要是开展高集成度、低功耗的电子学设计研究,以及微弱信号的测量误差优化研究。读出电子学为粒子物理、核物理的实验研究提供了必需的方法和手段,所以课题三对其他几个课题有重要的支撑作用。”刘树彬介绍。
  为完成高压氙气TPC的Micromegas探测器约6000路通道的极低本底读出设计,同时解决系统级同步及数字触发等问题,刘树彬带领团队开展了基于低功耗、高集成度ASIC的前端电子学设计,完成了低本底、高集成度前端电子学的噪声和测量误差优化,高精度波形数字化信号读出等一系列研究,2021年下半年装置就将在锦屏极深地下实验室安装运行。
  粒子物理的发展对下一代探测器的性能提出了新的需求,物理学家们开始考虑利用粒子的多重喷注中动量和能量的测量来研究极其稀有的复杂事例。包括欧洲大型强子对撞机、中国新一代高能环形正负电子对撞机等未来大型加速器粒子物理实验都对量能器提出了新的要求,即能对物理事件中的各个喷注的能量分别进行精确重建和测量,甚至希望追踪每个次级粒子的径迹。研制具有极细颗粒度、可以对簇射形状进行精细测量的成像型量能器成为实现以上目标的关键。结合BGO量能器及以往其他研究的经验,刘树彬开展了一系列技术探索。
  在领衔的国家自然科学基金重点项目“成像型电磁量能器关键技术研究”中,他带领团队开展关键技术预研,调研各种可行的技术路线,进行探测器选型及相应的读出电子学设计,并组成原理样机,进行宇宙线、加速器束流实验。通过开展这些研究,刘树彬期待实现这些目标:掌握模拟式、数字式成像型电磁量能器的设计方法,为我国未来加速器物理实验或空间粒子物理实验中电磁量能器设计提供可能的技术选项,为培养熟悉此领域研究工作的优秀人才贡献一份力量。
  2019年年底,在国家自然科学基金委组织的数理科学部重点类项目中期检查会议上,鉴于该项研究的突出进展,专家组给予了“优秀”的考评结论。
  鉴于当前的国际国内经济形势,高能环形正负电子对撞机等大科学工程也许难以在短期立项。刘树彬认为,核电子学界除了做一些前沿的技术预研和储备,还可以针对国家的重大需求,结合自身强项主动开展一些应用研究工作。例如,环境中天然存在由高能宇宙线经大气簇射产生的缪子,利用其强穿透性,可以将它作为一种非破坏性“探针”,用于火山地质勘测、大型遗址无损考古、反应堆运行监测等领域。日本和法国前几年就联合利用这种技术对埃及金字塔内部做过成像,引起了较大关注,但欧美国家在这些方面对我国长期实施技术封锁,国内目前在这方面还处于非常早期的阶段。天然宇宙线缪子存在通量低、统计特征不明显等特点,需要大面积、高效率、高分辨率的探测器和高集成度的读出电子学,基于核探测与核电子学国家重点实验室在微结构气体探测器和大规模可扩展读出电子学方面的积累,在国家自然科学基金等项目的支持下,刘树彬已推动中科大团队在这方面迈出了坚实的步伐,目前已经研制了一台原理样机,下一步希望寻找一个合适的火山在2021年开展成像研究。
  谈到肩上的任务,刘树彬坦言:“虽然过去在某些方向取得了一点成绩,但随着国家持之以恒加强基础研究投入,近代物理学科对核电子学的需求越来越多,担子越来越重。同时,和国内很多研究领域类似,我们和国际先进水平还是有一定差距的,也面临很多‘卡脖子’技术问题。作为研究型大学的一员,除了响应国家号召大胆创新、努力攻关,也要发挥团队的优势,培养更多、更优秀的新人掌握关键核心技术,并传承发扬老一辈科学家的精神。”
  任重道远,刘树彬将全力以赴。
  
专家简介  
  刘树彬,中国科学技术大学教授,2020年国家杰出青年科学基金获得者。主要致力于核电子学领域新型探测器及前端电子学方法、高精度时间测量/高速高精度模数变换、空间科学载荷高可靠性电子学等方面的研究工作,先后承担数项国家自然科学基金项目、中国科学院知识创新工程项目、中国科学院战略性先导科技专项等基础科研任务。曾作为主任设计师负责我国空间科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”号关键分系统(BGO量能器)研制,实现了迄今为止最宽的在轨观测能量范围和最优的能量分辨率,入选“2018年度中国科学院杰出成就奖”(主要完成者)、“中国科学院‘十二五’突出贡献团队”。目前主持国家自然科学基金杰青项目“核电子学方法研究及应用”、重点项目“成像型电磁量能器关键技术研究”、中国科学院C类先导专项之课题“高速瞬态波形记录与时间测量”、国家重点研发专项“基于惰性气体探测器的直接暗物质探测实验”中低本底电子学课题等。
  

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2021年11月中

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