2026-10-29 07:44:36 643次浏览

伸手不见五指的夜晚，微光夜视仪为何能看透黑夜？谜底藏在夜视仪机身内部的一枚微型精密核心器件——微通道板里。不只是夜视仪，微通道板作为捕捉、放大微观粒子的利器，广泛应用于飞行时间质谱仪、粒子探测器等多种高端精密仪器中，融入医疗体检、环境检测等日常生活方方面面。由中国建筑材料科学研究总院有限公司北京分公司（以下简称“总院北分”）全新研发的“无尖端六方扩口微通道板”，依靠“外六方、内圆形”的独创结构，解决了困扰行业多年的技术痛点，性能突破传统产品极限。这项颠覆性创新成果，不久前获得第51届日内瓦国际发明展金奖。“外六方、内圆形”结构打破理论极限微通道板外形像一枚薄薄的圆形玻璃片，厚度通常不到0.5毫米，表面密布着数百万个微米级的细小孔道。其工作原理是，当电子、光子等微观粒子钻进孔道、撞到孔壁时，便会产生多个二次电子。这些二次电子在电场作用下加速前进，再次撞击孔壁，从而激发出更多电子。如此反复，它便具备了一个微观粒子进去、成千上万个电子出来的“放大”能力，被广泛应用于多种开展微观粒子探测的高端科研装备中。总院北分玻纤事业部建筑材料行业特种光电材料重点实验室主任蔡华告诉记者，评价一块微通道板好不好，最核心的指标之一叫作“开口面积比”，即所有孔道的开口面积总和占整块板面有效面积的比例。开口面积比越大，入射粒子被收集的概率就越大，探测效率也就越高。传统微通道板中，每个孔道都是圆形，一个个小孔边缘相切，紧密排列。为了提升开口面积比，行业通常采用“圆形扩口”工艺，即把每个圆孔的入口处进行扩口处理，使其呈漏斗状。但无论如何紧密排列，圆与圆之间必然留下空隙，因此传统微通道板的开口面积比始终无法突破约90.7%的理论上限。“最初，我们也按照行业既有的‘圆形扩口’工艺路线，将圆形开口比做到了接近理论极限的90%。”蔡华说，但这意味着，即便工艺做到极致，也总有近十分之一的粒子会白白流失。不仅是遇到了理论极限收集效率的天花板，这一工艺路线还有着更为致命的缺陷。“在对其进行高压电场测试时，我们发现荧光屏上出现了大量火花状亮点。”蔡华和团队发现，这是因为为了提升开口面积比，圆孔与圆孔之间的交界处被削得非常薄，形成了大约35到50纳米的尖锐夹角，导致其在强电场环境下极易引发尖端放电，烧毁器件。为了解决这个缺陷，团队决定放弃既有的成熟路线，回到理论源头，从基础的拓扑几何原理出发，找到一种既能实现最大程度开口，又能避免尖端的形状。“最终，我们应用六方最密堆积的独特优势，原创性提出了无尖端六方扩口的技术方案。”蔡华说。这一方案改变了孔道的几何形状，将其变为“外六方、内圆形”的结构。外部的六边形可以使孔洞像蜂巢一样无缝拼接，孔道排列的密堆积系数从0.907提升到1。在此基础上，团队又对孔道入口进行扩口处理，开口面积比突破了传统圆形扩口微通道板的90%，一举提升至98%以上。并且，在这一方案下，通道最薄壁厚依然可以保持在100纳米以上。消除了尖锐夹角后，通道既能高效收集入射粒子，又能承受强电场考验，真正实现了“无尖端大开口”。全链条创新将概念变为产品虽然看起来只是略微改变了孔道的几何形状，但蔡华告诉记者，小小的形状改变实则给研发、生产过程带来了诸多挑战。第一个挑战是电场畸变导致的增益下降。扩口过程中，一旦加工工艺精度不足，便会使扩孔的中心偏离原通道中心，出现孔位不正，导致通道内电场分布畸变，增加电子与孔壁的无效碰撞，使电阻变大、增益大幅下降。为此，研发团队引入了定向精密刻蚀技术和严格的同心度测量算法，将扩孔同心度严格控制在0.3微米以内，确保了内部电场的均匀性。但很快，新的问题又出现了。在测试新形状的六方扩口微通道板时，团队发现，总会出现暗电流异常偏高的现象。研究人员拿着高倍显微镜反复排查，才发现是等离子刻蚀后，高能离子的物理轰击会在六边形的六个死角处留下纳米级的破碎层和碎屑沉积。为了彻底清除这些碎屑残留，团队创新地将六角形的六个角磨平，填入易被腐蚀的三角形玻璃纤维棒。在后期酸碱腐蚀阶段，这些残留物会连同三角形玻纤棒一起被彻底去除，最终把暗电流降到了0.05皮安以下，完美解决了暗电流干扰。“可以说，这项成果是在一次次发现缺陷、推倒重来的实验中诞生的。”蔡华感慨。无尖端六方扩口形态是团队首创，此前国内外均没有任何团队提出过类似方案。这也意味着其在加工制备中没有经验可循，诸多技术难关需要团队自主突破。蔡华介绍，第一道难关便是专用玻璃材料“易刻蚀”与“高稳定”的矛盾。扩口加工需要将端面玻璃选择性地刻蚀掉，但刻蚀速率快的玻璃往往热稳定性差，在后续工艺中容易变形或失效；而稳定性好的玻璃又刻不动，两者难以兼得。第二道难关是高精度阵列制备。六方扩口需要将三种不同功能的玻璃材料，即耐刻蚀的框架玻璃、负责电子倍增的皮玻璃和作为牺牲层的芯玻璃，精确组合成一个微米级精度的复合结构。如何让这些玻璃在拉丝、集束、熔压过程中保持完美的六方几何形态，是一个极大的工艺挑战。“针对第一道材料难关，我们自主研发了耐离子轰击的专用框架玻璃。在玻璃配方中掺杂不同元素，不仅使其耐刻蚀性能显著优于传统玻璃，还大大提升了器件在离子直接轰击下的使用寿命。”蔡华介绍。而面对第二道制备难关，团队首创出“棒管结构”复合技术。将耐刻蚀的玻璃作为骨架，“外六方、内圆形”的玻璃作为电子倍增层，最内部的玻璃作为牺牲层。三种玻璃精确套合后，经过多层复合玻璃纤维集束成型和精细拉丝，最终实现了微米级的高精度六方孔道阵列。“这项技术保证了每一根孔道的位置、形状和尺寸高度一致。”蔡华说，这些看似不起眼的技术突破、工艺改进还有很多，当技术创新积少成多，才最终将六方扩口微通道板从设想变成了可批量生产的现实产品。“总院北分在特种玻璃配方和光纤集束工艺方面有着几十年的技术家底，这是我们能够攻克材料与工艺难题的根本保障。”蔡华认为，正是具备了从材料配方到微纳制备再到终端应用的完整研发链条，以及在兄弟单位的大力支持下，团队最终攻克了难题。伸手不见五指的夜晚，微光夜视仪为何能看透黑夜？谜底藏在夜视仪机身内部的一枚微型精密核心器件——微通道板里。不只是夜视仪，微通道板作为捕捉、放大微观粒子的利器，广泛应用于飞行时间质谱仪、粒子探测器等多种高端精密仪器中，融入医疗体检、环境检测等日常生活方方面面。由中国建筑材料科学研究总院有限公司北京分公司（以下简称“总院北分”）全新研发的“无尖端六方扩口微通道板”，依靠“外六方、内圆形”的独创结构，解决了困扰行业多年的技术痛点，性能突破传统产品极限。这项颠覆性创新成果，不久前获得第51届日内瓦国际发明展金奖。“外六方、内圆形”结构打破理论极限微通道板外形像一枚薄薄的圆形玻璃片，厚度通常不到0.5毫米，表面密布着数百万个微米级的细小孔道。其工作原理是，当电子、光子等微观粒子钻进孔道、撞到孔壁时，便会产生多个二次电子。这些二次电子在电场作用下加速前进，再次撞击孔壁，从而激发出更多电子。如此反复，它便具备了一个微观粒子进去、成千上万个电子出来的“放大”能力，被广泛应用于多种开展微观粒子探测的高端科研装备中。总院北分玻纤事业部建筑材料行业特种光电材料重点实验室主任蔡华告诉记者，评价一块微通道板好不好，最核心的指标之一叫作“开口面积比”，即所有孔道的开口面积总和占整块板面有效面积的比例。开口面积比越大，入射粒子被收集的概率就越大，探测效率也就越高。传统微通道板中，每个孔道都是圆形，一个个小孔边缘相切，紧密排列。为了提升开口面积比，行业通常采用“圆形扩口”工艺，即把每个圆孔的入口处进行扩口处理，使其呈漏斗状。但无论如何紧密排列，圆与圆之间必然留下空隙，因此传统微通道板的开口面积比始终无法突破约90.7%的理论上限。“最初，我们也按照行业既有的‘圆形扩口’工艺路线，将圆形开口比做到了接近理论极限的90%。”蔡华说，但这意味着，即便工艺做到极致，也总有近十分之一的粒子会白白流失。不仅是遇到了理论极限收集效率的天花板，这一工艺路线还有着更为致命的缺陷。“在对其进行高压电场测试时，我们发现荧光屏上出现了大量火花状亮点。”蔡华和团队发现，这是因为为了提升开口面积比，圆孔与圆孔之间的交界处被削得非常薄，形成了大约35到50纳米的尖锐夹角，导致其在强电场环境下极易引发尖端放电，烧毁器件。为了解决这个缺陷，团队决定放弃既有的成熟路线，回到理论源头，从基础的拓扑几何原理出发，找到一种既能实现最大程度开口，又能避免尖端的形状。“最终，我们应用六方最密堆积的独特优势，原创性提出了无尖端六方扩口的技术方案。”蔡华说。这一方案改变了孔道的几何形状，将其变为“外六方、内圆形”的结构。外部的六边形可以使孔洞像蜂巢一样无缝拼接，孔道排列的密堆积系数从0.907提升到1。在此基础上，团队又对孔道入口进行扩口处理，开口面积比突破了传统圆形扩口微通道板的90%，一举提升至98%以上。并且，在这一方案下，通道最薄壁厚依然可以保持在100纳米以上。消除了尖锐夹角后，通道既能高效收集入射粒子，又能承受强电场考验，真正实现了“无尖端大开口”。全链条创新将概念变为产品虽然看起来只是略微改变了孔道的几何形状，但蔡华告诉记者，小小的形状改变实则给研发、生产过程带来了诸多挑战。第一个挑战是电场畸变导致的增益下降。扩口过程中，一旦加工工艺精度不足，便会使扩孔的中心偏离原通道中心，出现孔位不正，导致通道内电场分布畸变，增加电子与孔壁的无效碰撞，使电阻变大、增益大幅下降。为此，研发团队引入了定向精密刻蚀技术和严格的同心度测量算法，将扩孔同心度严格控制在0.3微米以内，确保了内部电场的均匀性。但很快，新的问题又出现了。在测试新形状的六方扩口微通道板时，团队发现，总会出现暗电流异常偏高的现象。研究人员拿着高倍显微镜反复排查，才发现是等离子刻蚀后，高能离子的物理轰击会在六边形的六个死角处留下纳米级的破碎层和碎屑沉积。为了彻底清除这些碎屑残留，团队创新地将六角形的六个角磨平，填入易被腐蚀的三角形玻璃纤维棒。在后期酸碱腐蚀阶段，这些残留物会连同三角形玻纤棒一起被彻底去除，最终把暗电流降到了0.05皮安以下，完美解决了暗电流干扰。“可以说，这项成果是在一次次发现缺陷、推倒重来的实验中诞生的。”蔡华感慨。无尖端六方扩口形态是团队首创，此前国内外均没有任何团队提出过类似方案。这也意味着其在加工制备中没有经验可循，诸多技术难关需要团队自主突破。蔡华介绍，第一道难关便是专用玻璃材料“易刻蚀”与“高稳定”的矛盾。扩口加工需要将端面玻璃选择性地刻蚀掉，但刻蚀速率快的玻璃往往热稳定性差，在后续工艺中容易变形或失效；而稳定性好的玻璃又刻不动，两者难以兼得。第二道难关是高精度阵列制备。六方扩口需要将三种不同功能的玻璃材料，即耐刻蚀的框架玻璃、负责电子倍增的皮玻璃和作为牺牲层的芯玻璃，精确组合成一个微米级精度的复合结构。如何让这些玻璃在拉丝、集束、熔压过程中保持完美的六方几何形态，是一个极大的工艺挑战。“针对第一道材料难关，我们自主研发了耐离子轰击的专用框架玻璃。在玻璃配方中掺杂不同元素，不仅使其耐刻蚀性能显著优于传统玻璃，还大大提升了器件在离子直接轰击下的使用寿命。”蔡华介绍。而面对第二道制备难关，团队首创出“棒管结构”复合技术。将耐刻蚀的玻璃作为骨架，“外六方、内圆形”的玻璃作为电子倍增层，最内部的玻璃作为牺牲层。三种玻璃精确套合后，经过多层复合玻璃纤维集束成型和精细拉丝，最终实现了微米级的高精度六方孔道阵列。“这项技术保证了每一根孔道的位置、形状和尺寸高度一致。”蔡华说，这些看似不起眼的技术突破、工艺改进还有很多，当技术创新积少成多，才最终将六方扩口微通道板从设想变成了可批量生产的现实产品。“总院北分在特种玻璃配方和光纤集束工艺方面有着几十年的技术家底，这是我们能够攻克材料与工艺难题的根本保障。”蔡华认为，正是具备了从材料配方到微纳制备再到终端应用的完整研发链条，以及在兄弟单位的大力支持下，团队最终攻克了难题。

　　公器私用，将地质调查、矿产开发等权力作为敛财纳贿的工具，搞权钱交易，利用职务便利为他人在企业经营、项目承揽、矿权审批等方面谋利，并非法收受巨额财物；


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