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深夜上海② | 嘉定这家单位里,时而流过比岩浆更烫的玻璃液,时而发出小太阳般的光

2019/9/18 23:22:04

深夜上海② | 嘉定这家单位里,时而流过比岩浆更烫的玻璃液,时而发出小太阳般的光

【编者按】城市就像一盘磁带,也分“AB面”。“A面”是白天,有气锤声声的工厂流水线,有商务区西装革履步履匆忙的白领,有熙熙攘攘光鲜亮丽的商业街……可你真正见过这座城市的“B面”吗?

 

夜幕下的大都市不只有“深夜食堂”,很多岗位上的值守人员深夜里同样在默默为这座城市的发展蓄力,完成城市“B面”的新陈代谢。记者走访了一批这样的工作岗位,倾听值守人员的故事——

 

云霞渐退,华灯初上,这是一个平凡的夏夜。嘉定区汇旺东路899号前小河汩汩,河边树木在微凉的晚风中轻轻摇曳,路上的行人们结束了一天工作,大多在匆匆往家里赶,和家人共享天伦。很少有人知道,在汇旺东路899号内,大口径高品质钕(音“女”)玻璃连续熔炼生产线里正翻腾着比火山爆发喷出的岩浆还滚烫的玻璃液,这里制造的钕玻璃,可以让一束极微弱的“种子激光”放大一千万亿倍,产生足以引发核聚变和进行宇宙起源物理研究的高能量。


这里是中国科学院上海光学精密机械研究所(通常简称“中科院上海光机所”)北区。顾名思义,钕玻璃是均匀掺入钕离子的一种玻璃。深夜,钕玻璃研究团队成员们有的在紧张地盯着熔炼炉监控器,时刻注意着熔炼炉电压、电流、温场等指标是否异常,有的正在无尘实验室里给成型的钕玻璃小心翼翼地完成最后一道包边工序,有的正在给熔炼、冷却后的成品玻璃做各项检测。不久前,记者来到上海光机所,近距离体验了钕玻璃研究团队的“夜生活”。

 

中科院上海光机所


随便走走就看到紫红色的“梦幻海洋”


“你就是记者?来吧,我带你随便走走。”


记者见到陈树彬的时候,他已吃完晚饭,正在和团队成员们一起打乒乓球,二对二男子双打,场边还有伙伴在看球。大家穿得都很随意,休闲裤、球鞋、T恤衫,就像是在上一节普通的体育课。事实上,陈树彬是钕玻璃项目的第二完成人、正高级工程师,而场边一个穿着白衬衫、戴着眼镜笑眯眯看球的中年女子,就是上海光机所钕玻璃项目负责人胡丽丽。


“随便走走”的第一站,就让记者的嘴惊讶得半天没合上。陈树彬带着记者从“乒乓间”下楼,穿过高功率激光单元技术实验室一楼大厅时,记者被地上铺满的大块玻璃吸引了。这些玻璃和大号地砖差不多大小,但比地砖要厚实不少,每一块都呈现出摄人心魄的紫红色,就像超大号的红宝石。玻璃一块叠一块,中间用木条相隔,粗粗一数,整个大厅里铺着两百多块这样的紫红色玻璃,让人恍若置身于紫红色的梦幻海洋。

 

堆放着的钕玻璃


“这就是传说中的钕玻璃?”记者问得有点激动——之前看过一些科技报道,知道钕玻璃的“金贵”,而且此前报道的图片中钕玻璃大多以小片状出现,这么大尺寸大批量的摆放在一起,让人有一种眩晕感。“对,这就是,正品规格是810mm*460mm*40mm,一块约65千克重。这里堆着的都还没经过最终检测,有的可能检测不合格。”陈树彬径直往前走,直到察觉记者正蹲着从各种角度拍钕玻璃的照片,才露出“这有什么好拍”的表情停了下来。

 

连熔车间


第二站是连熔车间。所谓连熔即“连续熔炼”,粉料变成玻璃液后,玻璃液直接进入铂金坩埚,省去了玻璃液变成固体玻璃熟料的步骤,能大幅提高玻璃质量,这套连熔设备和方法也是上海光机所钕玻璃团队的专利。从最初进料到最后成品玻璃通过隧道窑冷却出品,大概要花近10天时间,一旦这条生产线开动,进料口会源源不断进料,值班室里好几个月都不能缺人,值守人员要时刻要盯着监控器上反映熔炼炉的各种指标,一有异常就要及时处理。记者看到,车间值班室的小茶几上放满了可乐、浓茶、咖啡等各种提神饮品——玻璃车间不能吸烟,夜间提神全靠这些饮品。

 

连熔车间值班人员的记录表


第三站是钕玻璃包边实验室。包边是制作钕玻璃的最后一道工序,进入实验室先要先通过风淋室除尘,还要戴头套和鞋套,实验室里完全屏蔽手机信号,关上门,这里就像是一个纯净不问世事的“世外桃源”。在这里,如红宝石般的成品钕玻璃四周要紧紧包上一层湖蓝色的玻璃。包边是为了美观吗?为什么包边实验室里对灰尘控制如此严格?


这里要说说钕玻璃的工作原理。钕,稀土元素家族中的一员,单质为银白色金属,是最活泼的稀土金属之一,钕玻璃的核心就是均匀分布的钕离子,玻璃只是一种介质。之所以钕玻璃是“光学精密元件”的一种,是因为活泼的钕有一种特性:一束波长为1053纳米的微弱“种子激光”垂直射进玻璃,周边用密密麻麻一排通电氙灯“泵浦”(用光将电子从较低能级升高到较高能级)上去,钕离子会受激发射,外层电子获得能量后向各个方向上释放电磁波(即“发光”),其中恰好和“种子激光”同向的也是波长为1053纳米的光——即吸收氙灯能量后“放大”了“种子激光”的能量。包边技术负责人、38岁的研究员孟涛告诉记者,这样的放大作用,一厘米厚的钕玻璃可以实现5%左右,真实工况中,数千片大口径钕玻璃叠加在一起,可以让“种子激光”能量不断提升至千亿倍之巨——射入时的激光能量尚不足以烧焦一只小蚂蚁的触角,射出时的能量达已到“小太阳”量级(兆焦耳级)。

 

正在完成包边工序的钕玻璃


包边,要解决的就是不要让和“种子激光”方向不一样的其他杂散光添乱,术语叫“抑制寄生振荡”——如果不给钕玻璃包边,杂散光会在玻璃内部来回振荡,能量越来越大,以至“喧宾夺主”。包边玻璃的湖蓝色来自于玻璃里的二价铜离子,二价铜离子对波长为1053纳米的光有强烈吸收作用,杂散光进入包边玻璃就“消失”了,不再振荡,可保证钕玻璃专注于放大“种子激光”。“对包边工作而言,玻璃重要,粘合钕玻璃和包边玻璃的胶水更重要。考核包边工作的重要指标是杂散光的剩余反射率,一般要求在10的负三次方,我们研发了一种热敏胶粘结剂,能经受长期大能量的激光照射,解决玻璃易拉裂的问题,还可以让剩余反射率降低到10的负五次方。”孟涛说。


和“岩浆”战斗,就像炼丹炉里的孙悟空


所谓“科研”,其实就是99次、999次、9999次失败,才能换来一次成功,但每一次失败都是最终成果的坚实铺路石。


胡丽丽告诉记者,钕玻璃熔制工艺非常复杂,整条生产线有无数个技术难点需要攻克。“刚开始尝试的时候,生产线有各种各样的问题要调试,常常是值了几天班之后刚到家,脸都没洗一把,电话响了,赶紧骑上‘老坦克’自行车又往实验室赶。”


2010年冬天的一个晚上,陈树彬刚结束了两天两夜的值班,回家准备睡觉,值班室打来电话:玻璃液从熔炼炉底下渗了出来,需要紧急处理。“出现这种情况往往是因为熔炼炉内温场没控制好。我连忙骑电瓶车往单位赶,路上冷风吹得脸生疼。到了玻璃车间里,我和其他赶来的同伴们赶紧换上石棉防护服,爬上炉子顶部,用大钳子把玻璃液一点点‘粘’出来。”

 

连熔车间值班室内的各种仪表


陈树彬告诉记者,连熔生产线不能停止,因会影响生产和试验进度,熔炼炉内玻璃液的温度是1200℃左右,渗出的玻璃液温度稍低,但也堪比岩浆。玻璃液一旦彻底冷却就粘在熔炼炉上取不下来了,必须“趁热”用钳子把渗出的玻璃液处理掉。“钳子粘一下,只能粘住拳头大小的玻璃团,我们二三十个人从第一天晚上11点多干到第二天晚上11点多,足足干了一天一夜,才把渗出的玻璃液全部粘完。站在炉顶上,隔着石棉服也能感受到逼人的热浪,简直像站在火山口和岩浆战斗。还有人事后自嘲,感觉自己在太上老君的炼丹炉里当了一会孙悟空。”处理完这次事件,陈树彬脱下石棉服,用干毛巾擦干汗水后疲惫地骑电瓶车回家,“冷风吹上来,整个人又觉得冰冰冷,简直是冰火两重天。”


战高温的经历远不止这一次。钕玻璃刚从实验室走入中试线的时候,车间里某种耐火材料的软化温度偏低,一天晚上在运行过程中变形了,严重影响后续试验,必须在中试线不停止的情况下把这种材料替换掉。“中试线不停,意味着我们要在极端高温、炉子通电的条件下进行材料替换,行话叫‘热修’。在那种极端高温下,一个‘全副武装’的成年人也只能坚持十几分钟,再坚持就容易晕厥。我们只能‘车轮战’,一个人上去做一会儿,不行了就换下一个人,最终把这个材料‘热修’完毕。”35岁的钕玻璃团队成员陈尤阔告诉记者。

 

研究人员在白板上进行演算


还有很多科研之外的意外情况发生。数年前的一个夏夜,台风来袭,实验室堆放危险品原料的房间内进水,如果不及时处理,造成经济损失不说,还有极大安全隐患。“当时我们也是全员出动,连夜冲进齐膝的积水搬运装在木箱内的原料,一箱有十几千克重,浸水后更沉。”胡丽丽告诉记者,当晚搬完危险品原料已是深更半夜,第二天水退了以后,大家顶着“熊猫眼”又回来打扫车间。“都没有睡好,但大家没有半句怨言。”


用一次性杯子喝香槟酒分享“小喜悦”


科研人员不是“科研机器”,和普通人一样,他们也有喜怒哀乐,在最终成功到来之前那段“黎明之前的黑暗”时刻,他们也会感到迷茫和沮丧。深夜里,人的细腻敏感“小情绪”最容易释放,科研人员也不例外。

 

一块已完成了包边工序的钕玻璃


2012年,钕玻璃连熔生产刚开始进行中试试验,所有东西都和实验室内不一样,需要重新调试,碰到的困难很多:大尺寸钕玻璃在成型阶段流量很小,却要制成超厚大块地砖那样的坯片规格,玻璃粘度大了摊不开,太小又会出现缺陷;烧制好的钕玻璃要在长约30米的封闭式隧道窑内逐渐冷却一个多星期,稍有不慎,“娇气”的玻璃就会炸开;好不容易得到了坯片,包边工序做不好,玻璃还是容易开裂……“那时候每天下班都是眉头紧锁、魂不守舍的,每天都有处理不完的问题。”胡丽丽回忆。


胡丽丽告诉记者,一天,她像往常一样深夜十点多回家,当时她的“座骑”已从“老坦克”自行车升级为电瓶车了。骑着电瓶车走在深夜的路灯下,看着自己的光影一次次被拉长、缩短,她有点沮丧:当天的试验又失败了。“我又累又困,心情也不好,觉得一天天过去没什么进展,心里很是困惑、着急。就在这时,一位熟悉情况的老专家给我打了个电话,非常热情地鼓励我:胡丽丽,不管碰到什么困难,你们一定要坚持下去,把问题找出来解决掉,曙光就在眼前了!挂掉那个电话,我胸中热流翻涌,感觉整个世界一下子亮起来了。”

 

会议室


陈树彬也告诉记者,中试线运行之初,每一批钕玻璃从长长的隧道窑里“钻”出来的那一刻,他的心情都非常紧张。“当时,人们普遍不看好我们做连熔中试,认为这是工厂才能做的事情。确实,一开始两个月,玻璃基本都是炸开的,没几块好玻璃,基本是出一批就炸一批,只能反复调整各种参数,再进行试验。每次去看现场情况,我都像等待高考放榜一样紧张,看到玻璃炸裂了,我们的心情也‘裂’得粉粉碎,但没办法,只能一次次捡起玻璃碎渣、收拾心情,调整工艺参数,不断再试。”


一天深夜,陈树彬和其他团队成员们一起等在隧道窑的尽头,等待一批即将出炉的钕玻璃。看了两个月的碎玻璃,经历了两个月的打击,大家都已经做好了再次看到碎玻璃的准备。没想到,这一批玻璃成功了,没有炸裂,大块的坯片在隧道窑被静静地推出来,带着60℃左右的温热,闪耀着醉人的紫红色,就像颁发给研发团队成员的大奖牌。“幸福来得太突然了,我们大家都松了一口气,大家脸上都带着如释重负的笑。突然有个年轻的研究员小声说了句:不容易啊,这个时候是不是应该找点东西庆祝庆祝?可是当时我们周围只有几个熔炼炉、一排监控器,没有记者,没有相机闪光灯,车间窗外就是沉沉黑夜,心里的巨大喜悦感无处释放,大家都面面相觑。”


就在这时,胡丽丽笑眯眯地说:“确实该庆祝!”然后转身走了。就在大家疑惑的时候,她又回来了,手里拿着两瓶香槟酒:这是她自掏腰包早就买好放在实验室的,但她为了不给团队成员们压力,没把这两瓶酒的事告诉任何人,就等着这一刻的到来。“其实玻璃不炸还不够,后续还要通过气泡、条纹、荧光寿命等一系列严苛的参数检测,距离最后的成功还有好几步。但当时大家真的非常激动,我们还像F1赛车手上奖台领奖一样,把香槟摇得喷出了气泡,最后当时在现场的十几个人每人拿着一次性塑料杯子,分享了这两瓶香槟酒。”陈尤阔说。

 

堆放着的钕玻璃


搞科研的人,基本上没有“逢年过节”的概念,钕玻璃研发团队成员们大多已经连续七八个大年夜在实验室里度过。“其实岗位值守人员也就几个人,但其他成员牵挂着实验室,在家过年心里不安稳,尽管没接到通知要去实验室,每年大年夜也总会陆陆续续往实验室赶,大家就一起在实验室里过年。”胡丽丽告诉记者。赶去实验室的人,总不会空着手:有人带饺子,有人带卤菜,有人带水果……实验室里的除夕也非常热闹。有时候,上海光机所的领导也会在除夕夜到钕玻璃团队的实验室去看看。“2015年的除夕夜轮到我值班,所领导独自一人来我这儿问了一句,你们一共有多少人在值班?我说二十几个人。所领导点了点头出去了,半小时之后拎了二十多份费列罗铁盒巧克力回来说,你们值班人员一人一份,祝你们新年快乐!”说起这件轶事,陈树彬至今还有点不好意思,因为觉得自己“让领导自掏腰包花了两千多块钱”。


如今,上海光机所里已有我国唯一的年产1200片大尺寸高性能激光钕玻璃的批量制造线,相较于原来的技术,生产效率提高了10倍。这里制造出来的钕玻璃产品,4项核心技术指标领先于国外同类产品,其余指标与国外水平相当。“能身处这支战斗力强、凝聚力高的研发团队,我觉得很自豪,今后也会和大家一起,把激光钕玻璃的各项性能继续提高。”胡丽丽说。