近日，《科技日报》成果版刊发《微观粒子“放大器”突破性能瓶颈》，《中国建材》杂志刊发《原创成果斩获国际金奖 国产元件实力“出圈”》，文中介绍了中国建材总院微通道板创新设计获国际大奖的故事，一起去看看吧~
微通道板创新设计获国际大奖——
微观粒子“放大器”突破性能瓶颈
科技日报记者 都芃
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。
图为无尖端六方扩口微通道板。
“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”。
图为中国建筑材料科学研究总院有限公司北京分公司科研人员进行无尖端六方扩口微通道板相关实验。
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。
（受访单位供图）
编辑：孙莹
原创成果斩获国际金奖 国产元件实力“出圈”
《中国建材》杂志 刘秀枝
第51届日内瓦国际发明展前不久在瑞士日内瓦落下帷幕。中国建筑材料科学研究总院有限公司北京分公司玻纤事业部自主研发的无尖端六方扩口微通道板项目，从全球35个国家和地区的千余个参赛项目中脱颖而出，荣获展会金奖。
“过去，这类高端探测器件主要依赖进口。如今，我国建材企业凭借原创性成果荣获国际金奖，获得了国际认可。”中国建材总院北京分公司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高兴地告诉记者。
无尖端六方扩口微通道板产品实物图
结构创新推动性能提升
微通道板（MCP）是一种具备高空间分辨能力的电子倍增探测器，市场上有成熟的产品供应，常用于夜视和科研领域。它的外形如同一片薄薄的圆形玻璃片，厚度通常不到半毫米，表面密布着数百万个头发丝万分之一粗细的微型小孔，所有探测和放大工作，都依靠这些小孔完成。
当微弱的光子、电子等微观粒子飞入小孔、撞到孔壁后，就会碰撞产生多个新电子；这些电子在电场的作用下持续加速，再次撞击孔壁，会激发出更多电子。如此循环，一个微观粒子进入，成千上万个电子输出。设备依靠这些放大后的信号，才能捕捉到人眼完全看不见的微弱光线、微观粒子，实现夜视、精密探测等功能。
长期以来，全球MCP行业存在一个无法破解的技术死结：常规圆形孔道微通道板，原生开口面积比存在上限，无法大幅提升。如果通过传统扩口工艺增大孔口、提升开口面积比，孔道之间的隔墙边缘就会形成极尖锐的尖端，高压工作时会出现严重的尖端放电现象，导致器件被灼烧损坏，而常规不扩口的圆形孔板，高性能探测需求无法满足。
中国建材总院研发的无尖端六方扩口微通道板，其独特之处在于改变了孔道入射端面的几何形状，采用了“外端面六方、内纵深圆形”的一体化复合孔道结构。
“在粒子入射端面，通过扩口处理，如果能够让端面孔道的二维投影像呈现出六边形，就如同蜂巢般紧密贴合，孔道排列的密堆积系数就能从0.907提升至1。这样，开口面积比可突破到98%以上，并能同时确保孔间的孔壁无尖锐尖端（孔壁厚度≥100nm），即能同时实现大开口与无尖端，从而破解大开口扩口MCP易尖端放电烧损失效的难题。”蔡华向《中国建材》杂志记者介绍。无尖端六方扩口形态的微通道板是中国建材总院团队首创，此前国内外均无团队提出过将六边形扩口与无尖端设计相结合的技术方案。在蔡华看来，该项目能够脱颖而出，首先得益于结构设计和材料的原创性。
“我们率先从拓扑几何的角度发现了六方密堆积的独特优势，创新性地提出了无尖端六方扩口的技术路线。”蔡华表示，基于这一结构创新，产品的开口面积比突破了传统圆孔微通道板90.7%的理论极限，创造了国际最大开口比纪录。正因如此，其探测效率较传统产品提升40%以上，平均故障间隔时间提升1至2个数量级。
此外，团队还攻克了圆形扩口在强电场下的尖端放电、玻璃材料既要能刻蚀又要高稳定、复合通道壁刻蚀后性能回复困难等技术难题。如材料配方上，依托玻纤事业部特种玻璃及玻纤技术的深厚积淀优势，团队研发出耐离子轰击的专用框架玻璃，既耐刻蚀又稳定，在扩口刻蚀工艺天然趋圆的特性下，仍能实现高精度结构保型，确保精准维持扩口端面的六方孔道形貌；生产工艺上，突破了高精度阵列制备和微损伤修复，包括多层复合玻璃纤维集束成型、离子束定向精密扩口、微损伤综合修复等。
材料及结构上的原创性突破，带动了整套性能指标的大幅提升。第三方检测数据显示，该产品在高端面场强应用中探测效率达到98.2%，零端面场强应用中达到98.8%，整体性能经第三方检测优于国际同类产品。
积极拓展新应用领域
在此之前，国内外尚无能够同时满足大开口比、无尖端放电、长寿命的产品。中国建材总院的产品填补了这一空白，实现了核心部件的自主可控。
作为全新一代高性能电子倍增核心部件，该产品性能全面对标进口同类设备，经多家用户装机实测验证，可替代进口电子倍增器，探测精度、稳定性、耐用性均达到行业领先水平。目前产品已完成技术定型与产业化落地，实现批量稳定生产、常态化供货，具备规模化配套合作能力。
该产品适配场景广泛，可深度赋能多个赛道，商业化应用前景广阔。在健康诊疗领域，它是飞行时间质谱分析的核心部件，用于高精度血液浓度监测和临床生物标志物检测；在环境监测领域，集成于离子阱质谱仪和残余气体分析仪，用于大气和水体中痕量污染物的现场快速检测；在新能源汽车领域，应用于四极杆质谱检漏系统，用于电池封装严密性检测和电解液挥发物在线监测；在安防领域，用于微光像增强器，提升夜间低照度成像能力。
“在市场推广方面，我们未来会继续深化与现有合作企业的配套关系，随着下游仪器厂商的产能扩张同步提升供货规模。”蔡华告诉记者，中国建材总院也在联合国内优势单位积极开拓新的应用领域，包括新能源汽车电池检测、半导体工业在线监测等新兴市场。同时，依托日内瓦国际发明展金奖的国际影响力，稳步布局海外市场，拓展全球化合作版图。
在产业赋能方面，他们诚邀上下游仪器厂商、科研机构、产业链企业深度携手。可面向整机厂商提供定制化检测模组配套服务，适配不同场景的个性化设备需求；可联合科研院所开展前瞻性技术攻关，共建技术创新体系；可依托核心器件优势，联动产业链上下游补齐技术短板，共同推动国内高端科学仪器、精密探测装备产业链国产化升级，携手开拓高端探测器件市场。
过去，人们印象中的建材多是水泥、玻璃等基础材料，中国建材总院的产品展示了从材料到器件再到系统应用的跨越。无尖端六方扩口微通道板是其中的代表作之一。它为建材行业高端化、精细化转型树立了标杆，证明了建材企业有能力向高端精密探测器件方向拓展。
依托“建筑材料行业特种光电材料重点实验室”等研发平台，中国建材总院将持续开展基础研究和工程化攻关。“以这次获奖为起点，我们会更扎实地做好研发和产业化，用可验证的产品性能提升，助力我国在高端科学仪器和关键装备领域逐步突破瓶颈。”蔡华表示。
媒体见证荣光
创新永不止步
从性能突破到国际夺金
微通道板背后是科研团队久久为功的坚守
未来总院将持续攻坚
践行用材料创造美好世界的使命
让更多原创成果闪耀国际舞台
