為探索宇宙本源提供更先進的技術手段
——記中國科學技術大學近代物理系教授劉樹彬

王 軍

劉樹彬在2017年度安徽省科技進步獎一等獎授獎現場

從求學到工作，劉樹彬一直沒離開過中國科學技術大學（以下簡稱“中科大”）近代物理系，他是核探測與核電子學國家重點實驗室（高能物理研究所、中科大聯合）的骨干成員。許多人都知道，中科大是一所著名的學府，但對近代物理學做什么研究，卻不是很清楚。所以談及所從事的工作，劉樹彬總得先介紹一番近代物理學是一個怎樣的存在。

“‘Modern physics’一詞在清末民初傳入中國，所以被譯成‘近代物理’，國內物理學家們就沿用了這個翻譯，包括中國科學技術大學，當然現在有的學校也稱其為‘現代物理’，研究范圍涵蓋理論物理、粒子物理與原子核物理、等離子體物理、原子分子物理、核電子學等。我的方向是核電子學，與實驗物理相關，是在大物理背景下，研究、借鑒各種先進電子學技術，解決物理問題，涉及集成電路芯片及大規模電子學系統的設計與集成。我的工作就是：瞄準物理學的前沿研究，為它們提供支撐服務，在理論物理學家提出想法后，和實驗物理學家們一起幫著實現。就像一個大食府，前面有大廚料理，而我就相當于在后廚處理食材的。”劉樹彬笑著說。

書本上的知識活了

本科能考入中科大，在劉樹彬看來是一種運氣。他說，一直以來他并不是那種特別聰明的學生，只是比較用功。那個時候沒現在這么多競賽、培訓班，完成了作業就有很多空余時間。一道題可能別人做完就行了，他就想著能不能用不同方法求解，有沒有漏洞。這份細致，也許對他近年來從事包括空間探測之類的大科學工程不無裨益。因基礎扎實，在高三的一次摸底考試中，他在青島市名列前茅。正是因為這次考試，中科大的招生老師找上門動員他報考。當時無知無畏的劉樹彬，見是中國科學技術大學邀請，便興奮地報了名。當時信息匱乏，由于是“中”字打頭，他還一度以為這所大學在北京。“其實我當年最終的高考發揮并不太好，按從高到低去排名，我不一定能上這所學校，但因為有預先的承諾，只要達到相對較高一個分數就可以，所以還是幸運地考上了。”劉樹彬說。多年后，尤其自己也承擔了招生工作后，他更加理解了中科大這種承諾的可貴。

1993年開學季，劉樹彬坐火車到了合肥，辦了入學手續，開啟了在近代物理系從本科到博士的求學路。

在中科大求學多年，對學校“全院辦校、所系結合”的辦學方針，“紅專并進，理實交融”的校訓，教學與科研相結合、理論與實踐相結合的鮮明特色，劉樹彬深有體會。“拿我們近代物理系來說，既有理論物理，又有實驗物理，也有核電子學，學科齊全。有國外著名實驗室的專家參觀、訪問后感慨：全世界的大學里像中科大這樣，理論物理學家、實驗物理學家、核電子學家聚在一起，可以充分交叉交流做研究的可以說是絕無僅有。”

在這種氛圍中，早早接觸科研與實踐，對于劉樹彬就成了很自然的事。彼時中科大的本科學制為5年，大學三年級時他就加入實驗室“快電子學”團隊，跟著導師參與了一些科研工作。印象深刻的是給日本高能加速器研究機構（KEK）的BELLE實驗做電子學插件，當時他的感受是書本上那些知識活了。大學四年級提前保研，中科大國家同步輻射實驗室的加速器二期工程需要做束流控制，在導師和師兄的帶領下，他參與到這件事中。后來，劉樹彬還與華為公司合作開展總線傳輸、網絡測試儀等的設計工作，并一直延續到博士畢業。做實驗多，設計實踐機會多，通過參與這些工作，他學到了不少有意思的新知識。

在個人能力不斷提升的同時，劉樹彬也在考慮自己畢業后的出路。當時國內大科學裝置不多，國家對基礎研究的投入也沒現在這么大力度，這種情況下在本專業繼續走下去可能前景不樂觀。當然劉樹彬也可以到華為工作，雖然自己本專業與通信專業有差距，但有了合作期間打下的基礎，改行也不難。但這究竟是不是自己真正想做的？劉樹彬陷入糾結。

舉棋不定中，安琪教授幫他找到了要走的路。當時中科大在“北京正負電子對撞機升級改造工程”中參加了第三代北京譜儀（BES Ⅲ）的研制工作，是國內唯一承擔探測器和電子學硬件研制任務的大學，由剛從美國回來的安老師負責。他找到劉樹彬，想讓他參與負責子課題“飛行時間探測器讀出電子學系統”。舍不下多年所學，又對這項工作感興趣，劉樹彬決定留校并很快投入課題的攻關中。也是從那時起，劉樹彬真正邁入了近代物理研究的大門。此后，隨著高海拔宇宙線觀測站、暗物質粒子探測衛星、散裂中子源等國內大科學工程、裝置的不斷涌現，國家對基礎科學研究投入的不斷增多，劉樹彬所學有了更廣闊的用武之地，在近代物理研究這條路上，他也越走越遠。

向相關領導介紹實驗室成果

為“悟空”裝上“火眼金睛”

從2002年留校至今，靠著務實與努力，劉樹彬從近代物理系的講師成長為教授，并成為首批國家自然科學基金委優秀青年科學基金獲得者，2020年又獲得國家杰出青年科學基金資助。作為第一位獲得核電子學領域杰青資助的幸運兒，劉樹彬并未覺得自己有多強，他認為主要是趕上了好時候，國家加大對基礎科研的投入，一批大科學工程對核電子學有了迫切的需求，使自己的所長得到了發揮和充分展示。在他看來，這件事更大的意義在于，破除“四唯”后，讓那些“把論文寫在祖國大地上”的核電子學研究者看到了希望。

將近20年的時間里，劉樹彬在新型探測器及前端電子學方法、高精度時間測量、高速高精度模數變換、空間科學載荷高可靠性電子學等方面開展研究。他先后承擔了數項國家自然科學基金面上和重點項目、中國科學院知識創新工程項目、中國科學院先導科技專項課題等，研究領域從地面擴展到空間。

尤其作為主任設計師，劉樹彬承擔了暗物質粒子探測衛星“悟空”號唯一有效載荷的關鍵分系統——BGO量能器的研制工作。劉樹彬介紹，暗物質粒子探測衛星是中國科學院空間科學先導專項中首批確定的5顆科學實驗衛星之一，也是我國科學衛星系列的首發星，其科學目標是通過更高的能段和更好的分辨率觀測高能電子和伽馬射線尋找和研究暗物質粒子，并有望在宇宙射線起源和伽馬射線天文學方面取得重大進展。該衛星有效載荷包括塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器4個分系統，其中最核心、最關鍵的就是BGO量能器。它主要負責測量宇宙射線的能譜，通過高能電子或伽馬能譜測量來實現該衛星的核心探測功能——尋找暗物質粒子。可以說，BGO量能器是“悟空”能否發現暗物質粒子的“火眼金睛”。為確保BGO量能器研制成功，首席科學家常進院士首先想到的就是帶領紫金山天文臺的骨干回母校找近代物理系，因為那里有國內在此方向最完整的探測器與核電子學研制隊伍。由于有著北京正負電子對撞機等大科學工程的經歷，也參加了“嫦娥”“墨子”號等航天工程的前期預研和培訓，幾經醞釀，劉樹彬被推舉成為BGO量能器分系統的主任設計師，帶領探測器和核電子學團隊進行攻關。

為滿足整星的指標，劉樹彬首先帶領團隊攻克了決定科學目標成敗的三大關鍵技術之一——BGO晶體大動態范圍讀出。而后歷經4年奮戰，他們克服航天任務技術難度大、質量要求高、工程進度緊等重重困難，順利完成方案樣機、初樣鑒定件和正樣飛行件的研制。飛行件通過驗收后，產品于2015年12月17日隨“悟空”成功發射并交付科學應用系統。

“悟空”在軌運行中，不僅首次直接測量到了電子能譜在TeV處的拐折，印證了以往的間接測量結果，還觀測到了電子宇宙射線能譜在約1.4TeV處的尖峰，符合了比較熱門的暗物質“弱相互作用重粒子”解釋。“如果其他科研團隊的實驗數據也能證明這個現象，就可能證實這種暗物質候選粒子的存在跡象。這次科研發現意義非常巨大，因為這個裝置不是跟在別人后面做的，是中國科學家自己的創新和突破。可以說是具有目前在軌最高的觀測能段、最好的能量分辨率、最強本底抑制水平的裝置，所以才能幫助物理學家測出最優的能譜。”劉樹彬說。

因成果意義顯著，BGO量能器項目獲得安徽省科技進步獎一等獎（2017年度），暗物質粒子探測衛星團隊也先后獲得“2018年度中國科學院杰出成就獎”“中國科學院‘十二五’突出貢獻團隊”等一系列表彰。對劉樹彬來說，比起獲獎更讓他感到有意義的是能有機會參與到這件事上來。“其實地面的工程經驗與航天工程經驗有很大差距，探索如何讓地面實驗中成功的探測器和電子學穩定可靠地在天上運行，這給了我完全不同的體驗。”劉樹彬說。

與“悟空”BGO量能器團隊部分成員交流

做科研要全力以赴

談起所在的“快電子學”團隊，劉樹彬會不自覺地洋溢出自豪：“我們各有分工，雖然每個人有自己的主攻方向，但是大家經常在一起討論，甚至激烈地去討論，團隊的氛圍很開放。印象很深的是，當年做BES Ⅲ的時候，我常跟安老師為技術細節爭論，以至于路過我們辦公室門口的人都會瞅一眼，以為兩人這是怎么了。團隊倡導無論對錯都要把自己的觀點講出來，沒有職位、輩分之分，也沒有必須得是誰服從誰，不唯‘上’只唯‘真’。”

這支培養了目前國內核電子學領域所有“優青”的團隊，在核與粒子物理的探測器讀出電子學設計及實驗數據獲取方面極具功底。依托核探測與核電子學國家重點實驗室等科研平臺，團隊在快電子學、高精度時間測量、快脈沖波形數字化、大規模系統設計等方面，在國內外享有盛譽，并且積累了豐富的大科學工程經驗，開創了特色的實驗方法。通過把握國際新探測技術和電子學的發展趨勢，并結合自身特色，團隊一直走在國內核電子學領域創新發展的前列。

強大團隊的助力，給了劉樹彬在核電子學領域摸爬滾打的勇氣。而師長、前輩的言傳身教，則讓他的科研精神層次獲得了一次次提升。

劉樹彬說，自己很幸運在每個時期都能遇到指引自己的好老師、好前輩。小時候，是同為教師的父母教給他嚴謹的學習態度；高中時，是班主任、是招生老師，引導他報考了中科大；大學三年級時，是班主任葉邦角老師建議他選擇了核電子學方向；在實驗室做科研時，導師安琪老師總是沖在前面，帶著他一起焊接、一起調試、一起寫代碼、一起分析問題、在調試現場一起打地鋪……安老師讓他看到了科研工作者身上腳踏實地的科研品質，也是安老師的當機立斷，讓他在博士畢業時堅定地選擇了科研這條路。

還有一些前輩，雖然沒有直接做過他的老師，但也用他們對工作的敬業、對科研的熱愛深深影響著劉樹彬。

“王硯方老師是快電子學團隊的創建者，雖然沒有直接帶過我，但卻用行動影響了我。他永遠保持著學習的熱情，現在八十幾歲了，仍是天天到實驗室。老一輩科學家的敬業精神讓我感觸很深。”劉樹彬提起的還有中國科學院的常進院士。“研制‘悟空’號衛星時，雖然他是首席科學家，但平時做實驗、做設計時，他總跟我們在一起討論、一起優化解決方案。包括衛星上天后，要接收數據作分析，怕衛星過境時沒在上班時間，所以晚上有通宵值班，為了在第一線掌握第一手資料他一定會給自己排夜班。”劉樹彬說，“我覺得凡是成功的科學家，從上到下頂天立地，知識掌握得很全面。常院士就是這樣，從空間天文到探測器硬件到電子學，他都非常清楚。高能物理所所長王貽芳院士也是這樣，做北京正負電子對撞機的時候，王院士負責整個工程。他不僅對物理目標有著清晰的認識，而且對偌大加速器裝置上每一處部件的性能參數了如指掌，甚至對譜儀上各探測器的電子學細節也明察秋毫。在他那里你藏不住任何東西，他督促著你，讓你沒有可以打馬虎眼的機會。那時我剛畢業，他給我立了一個標桿：跟著他，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。”

劉樹彬慶幸在這么好的時代，有一群這么好的科學家認真地在做事，更幸運的是自己有幸跟他們一起共事。因為榜樣的力量，所以即使突發的困難讓他焦慮到整晚睡不好，壓力大到半夜不停地說夢話，但第二天起來，他仍然會選擇繼續走下去，跟那些難題死磕到底。堅持不僅帶來了問題的解決，更讓他獲得了極致的快樂，也是這種快樂讓他更執著于科研這條路。

響應國家號召大膽創新

為前沿物理學家提供更好的方法、更先進的技術手段，是劉樹彬孜孜以求的目標。為全力實現目標，他馬不停蹄奔波在探索的路上。

“悟空”號在軌穩定運行后，受國家重點實驗室學術領頭人趙政國院士指派，劉樹彬又帶領團隊加入PandaX合作實驗中，與上海交通大學的季向東、劉江來等科學家一起，試圖在位于四川錦屏山的極深地下實驗室建造新型低本底探測器，對太陽軌道附近的暗物質粒子進行直接探測。在科技部國家重點研發計劃“基于惰性氣體探測器的直接暗物質探測實驗”項目支持下，研究工作被分解為4個課題，劉樹彬承擔了其中課題三——“低本底電子學系統研發”的任務。“這個課題主要是開展高集成度、低功耗的電子學設計研究，以及微弱信號的測量誤差優化研究。讀出電子學為粒子物理、核物理的實驗研究提供了必需的方法和手段，所以課題三對其他幾個課題有重要的支撐作用。”劉樹彬介紹。

為完成高壓氙氣TPC的Micromegas探測器約6000路通道的極低本底讀出設計，同時解決系統級同步及數字觸發等問題，劉樹彬帶領團隊開展了基于低功耗、高集成度ASIC的前端電子學設計，完成了低本底、高集成度前端電子學的噪聲和測量誤差優化，高精度波形數字化信號讀出等一系列研究，2021年下半年裝置就將在錦屏極深地下實驗室安裝運行。

粒子物理的發展對下一代探測器的性能提出了新的需求，物理學家們開始考慮利用粒子的多重噴注中動量和能量的測量來研究極其稀有的復雜事例。包括歐洲大型強子對撞機、中國新一代高能環形正負電子對撞機等未來大型加速器粒子物理實驗都對量能器提出了新的要求，即能對物理事件中的各個噴注的能量分別進行精確重建和測量，甚至希望追蹤每個次級粒子的徑跡。研制具有極細顆粒度、可以對簇射形狀進行精細測量的成像型量能器成為實現以上目標的關鍵。結合BGO量能器及以往其他研究的經驗，劉樹彬開展了一系列技術探索。

在領銜的國家自然科學基金重點項目“成像型電磁量能器關鍵技術研究”中，他帶領團隊開展關鍵技術預研，調研各種可行的技術路線，進行探測器選型及相應的讀出電子學設計，并組成原理樣機，進行宇宙線、加速器束流實驗。通過開展這些研究，劉樹彬期待實現這些目標：掌握模擬式、數字式成像型電磁量能器的設計方法，為我國未來加速器物理實驗或空間粒子物理實驗中電磁量能器設計提供可能的技術選項，為培養熟悉此領域研究工作的優秀人才貢獻一份力量。

2019年年底，在國家自然科學基金委組織的數理科學部重點類項目中期檢查會議上，鑒于該項研究的突出進展，專家組給予了“優秀”的考評結論。

鑒于當前的國際國內經濟形勢，高能環形正負電子對撞機等大科學工程也許難以在短期立項。劉樹彬認為，核電子學界除了做一些前沿的技術預研和儲備，還可以針對國家的重大需求，結合自身強項主動開展一些應用研究工作。例如，環境中天然存在由高能宇宙線經大氣簇射產生的繆子，利用其強穿透性，可以將它作為一種非破壞性“探針”，用于火山地質勘測、大型遺址無損考古、反應堆運行監測等領域。日本和法國前幾年就聯合利用這種技術對埃及金字塔內部做過成像，引起了較大關注，但歐美國家在這些方面對我國長期實施技術封鎖，國內目前在這方面還處于非常早期的階段。天然宇宙線繆子存在通量低、統計特征不明顯等特點，需要大面積、高效率、高分辨率的探測器和高集成度的讀出電子學，基于核探測與核電子學國家重點實驗室在微結構氣體探測器和大規模可擴展讀出電子學方面的積累，在國家自然科學基金等項目的支持下，劉樹彬已推動中科大團隊在這方面邁出了堅實的步伐，目前已經研制了一臺原理樣機，下一步希望尋找一個合適的火山在2021年開展成像研究。

談到肩上的任務，劉樹彬坦言：“雖然過去在某些方向取得了一點成績，但隨著國家持之以恒加強基礎研究投入，近代物理學科對核電子學的需求越來越多，擔子越來越重。同時，和國內很多研究領域類似，我們和國際先進水平還是有一定差距的，也面臨很多‘卡脖子’技術問題。作為研究型大學的一員，除了響應國家號召大膽創新、努力攻關，也要發揮團隊的優勢，培養更多、更優秀的新人掌握關鍵核心技術，并傳承發揚老一輩科學家的精神。”

任重道遠，劉樹彬將全力以赴。