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促进中国红外科学技术早期发展的三封信
发布:dengying
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时间:2015-11-27 13:16
促进中国红外科学技术早期发展的三封信
作者:薛永祺 褚君浩

1 早期的红外技术探索

现代红外科学技术是在第二次世界大战期间出于军事需要,首先在德国发展起来的。那时在极其保密的状态下德国已研制成硫化铅红外探测器,制造出了几种军用设备,有些已开始小批量生产。只不过没有进入实质性的使用阶段,法西斯德国就无条件投降了,科研成果及设备全部被美国及苏联所浮获。由于红外技术主要用于军事,美国在二战后继续在保密条件下对具有军事应用背景的红外技术投入了大量人力、物力和财力,开展多方面研究。直到1959年9月,美国公开了他们发展红外技术的部份内容。中科院物理研究所的成众志是1956年从美国回国的,他一直订有《美国无线电工程师协会会刊》(Proc.IRE,也就是后来的Proc.IEEE)。他收到1959年9月的杂志后就送给汤定元看。当时,Proc.IRE和《美国光学学报》(JOSA)两种学报上,以"红外物理与技术"为主题,内容完全相同的两份专刊,公开了美国在红外技术研究的部分科技成果。汤定元以极大的兴趣早已阅读翻版杂志半年甚至一年,了解到国际上红外技术的发展。从文章内容来看,当时的红外技术已经成为一门新兴的学科。这一技术的重要性在中国还未被深入认识,急需在一片空白的基础上起步。

汤定元在美国时,曾进行过硅在超高压下导电性能的研究,对当时半导体的研究情况有一些了解。半导体的研究有着广阔的发展前景,因此在195l年下半年汤定元回国后进入中国科学院应用物理所,就选择了新兴的半导体物理作为研究方向。当时王守武早于汤定元半年回国,也以半导体作为研究方向。他们俩再加上两位新分配来的大学毕业生组成“半导体研究组”,汤定元分工从事半导体的光学及光电性能的研究。1951年底做了一个1952年的工作计划,其中一项是对硫化铅的天然晶体(方铅矿)进行硫处理。因为硫化铅是一种既可以处理成P型,也可以处理成N型的半导体。

当时英国有一位科学家首先提出了方铅矿的P-N结研究。汤定元也想用硫处理做成P-N结,研究结的性能。到了1954年,国外的半导体研究有了极大发展,已经出现了商品晶体管。此时他们开始做半导体工作时,已意识到锗、硅的重要性。他和同事们很想进口一些锗、硅纯材科,以加快半导体研究工作的进程。但是,西方国家那时对中国内地封锁很紧,无法从国外直接进口这些材料。由于搞不到这种高纯材料,才不得不暂时从事硫化铅和氧化亚铜的研究。此时那位英国科学家在方铅矿的P-N结研究工作中遇到困难,放弃了这一工作。汤定元看到英国《自然》杂志上一篇硫化铅红外探测器的文章(Sosnowski,Nature,vol.159,1947),他也就放弃了P-N结的研究,改做硫化铅红外探测器,把它作为光电导现象的半导体物理研究课题。开始时采用的方法是真空蒸发PbS薄膜、高温敏化和制作电极,而检测手段仅仅是用万用表测量它的电极间受光照后的电阻改变。当时并不知道PbS红外探测器有什么用途,更不知它的重要性。但是有两件事给了他深刻的印象。

其一英国人R.A.Smith写了一篇有关红外探测器的综合性文章。他是从苏联的俄文翻译本中看到的,其中说第二次世界大战中,发展了两门重要的新技术学科,即微波与红外。微波技术已经是大学里的课程,为什么“红外技术”也是新兴技术学科呢?它有些什么内容?汤定元与同事们曾私下议论过,但找不到任何根据。其二是苏联科学院的一位副院长巴尔金院士来应用物理所参观。当走到汤的实验室时,他很感兴趣,竟然坐下来,大谈红外探测器的各种用途和重要性,谈了半个多小时。可能与译员的水平有关,汤定元当时理解得并不多。关于PbS红外探测器的工作,他们连续进行了两年,尽管到1955年初,这一工作停止了。但无可争议的是,汤定元所领导的课题组在国内最早开展了硫化铅红外探测器的研究,已经在红外技术领域进行了早期的、开创性的工作。为日后中国研制PL-2空空导弹的红外探测器奠定了基础。

在1954年下半年,由黄昆领衔,王守武、洪朝生和汤定元对如何发展中国的半导体科学技术进行了研讨。每周一个下午,持续了相当长时间。经过深入讨论之后,大家采取了一些决定性的措施。其决定之一,由中国物理学会召开一次全国性“半导体物理讨论会”,并出版会议文集。“半导体物理讨论会”于1956年1月30日到2月4日在应用物理研究所大礼堂举行。会议就半导体的各个重要领域的科学内容和发展概况有9个综合性报告,另有一个下午为9篇科研工作报告,更重要的是几次分组座谈会提出如何发展中国的半导体科学技术并形成建议书。这次会议内容由科学出版社出版《半导体会议论文集1957年》。1956年,汤定元参与制订“十二年科学技术发展远景规划”,规划制订了十二项重点任务,其中发展半导体学科被列为四项紧急措施之一。“半导体物理讨论会”为这次规划做了很好的准备。在“半导体发展纲要”中由汤定元起草的“半导体的光电现象和热电现象的研究”一章中,有关红外技术也只能笼统地写上一条:开展硫化铅等红外探测器的研究。在“向苏联学习”和“一边倒”的年代,半导体规划组请来了一位外国专家——苏联科学院通讯院士符耳作为顾问。在这段时间内,北京应用物理研究所得到苏联科学院物理研究所赠送的一些半导体材料和晶体管并由汤定元负责保管和分发。其中,有一锭N型锗(Ge)单晶,汤定元就利用实验室仅有的一台光学测试仪器——单色仪,找了一位助手,建立了测试系统,进行锗光电导光谱的测量。因为当时已经有了锗的吸收光谱,也有人推导过表面复合对光电的影响。汤定元利用文献上看到的吸收光谱的实测数据,计算出不同表面复合速度下的锗的光电导光谱分布曲线。竟然与实验室实测的曲线符合得很好。这项研究工作写好的论文“表面复合速度对锗的光电导光谱分布的影响”在《物理学报》上发表。并于1957年秋由汤定元在民主德国召开的“国际固体物理学术会议”上宣读,收到了意想不到的效果。

不知是什么原因,1958年“大跃进”时红外技术也成为一个热门课题。据有人估计,当时国内研制硫化铅探测器的单位至少有30多家,所用的方法都与汤定元课题组的差不多。这也许与汤定元等起草的“半导体发展纲要”中的一条开展“硫化铅等红外探测器的研究”有关。但是在后来的“三年困难时期”,30多家科研单位的红外研究工作因经费等原因又纷纷“落马”,一时科学界众说纷纭。

2 第一封信——建议发展红外技术

1958年是“大跃进”的一年,汤定元通过学习认识到:在中国目前条件下,中科院也应当承担产品试制,甚至产品生产任务。基于这个认识,他写了一封信给中国人民解放军总部(当时国防科委尚在组建中,信是经所党总支发出的),信中说明红外技术对国防建设的重要性,并表明他们愿意承担红外探测器的研究工作。这封信受到领导的重视,并派人来与汤定元座谈。后来知道,国防部门当年刚组建国防科委,确实向中科院提出了红外技术的研究任务,中科院把这一任务(“55”号任务)交给了长春光机所承担。

1954年朝鲜战场停战协议签订后,1955年1月18日,中国海、空、陆联合进行登陆作战,一举解放一江山岛。这就触动了美国政府的神经,1955年1月26日、29日,美参众两院立即通过了干涉中国内政的所谓《福摩萨决议案》,并立即付诸实施。1958年3月17日,美国宣布成立美军驻台协防军援司令部。除了美第七舰队直接逼近中国领海,地地巡航导弹部署台湾地区外,还向在台的国民党军队提供了大量新式武器,包括刚刚下线且美国军队自己还未装备的“响尾蛇”空空导弹。1958年9月24日,国民党军队出动了大批飞机进入福建、浙江、广东上空,并先后在温州上空发射了5牧“响尾蛇”导弹,这是世界空战史上首次使用空空导弹。空战结束后我方发现了一枚完好无损未爆炸的导弹坠落在福建省境内。这枚导弹随即被运到北京后,中央有关部门决定解剖分析和仿制。汤定元接到了参加这一分析工作的通知。10月3日上午,在国防部内召开了布置解剖分析及仿制响尾蛇导弹的任务,定名为“55号”任务。“55号”任务由一个委员会领导,主任是聂荣臻,实际负责人是三机部部长助理钱之道(此人后来调任中科院技术科学部副主任)。整个任务分好几摊,各摊之间没有联系。

当时导弹武器在国内还是新鲜事,没有任何技术基础,特别是红外制导的导弹,因而由周总理出面从苏联请来了一个10人专家小组,帮助中方解剖分析。从一位专家关于导弹对红外探测器需求的报告中,汤定元第一次知道了需要用黑体辐射来标定对红外探测器入射辐射的功率,测定红外探测器的信噪比等,这个介绍对他的印象很深,使他第一次懂得红外技术的重要性,以及对红外探测器的要求。1958年11月下旬分析工作结束,他回到原来的研究课题。来华的苏联专家带回去一份分析总结报告和部分导弹残骸实物,其中有一个导弹引信部分的硫化铅探测器。两年后苏联据此仿制成功了型号为K-13的红外制导导弹,并作为米格-21战斗机的制导武器。由于中国当时科技与工业水平的限制,没有仿制成功"响尾蛇”导弹,1962年中国引进米格-21战斗机技术的同时,作为配套武器引进了K―13空空导弹的技术。苏联把导弹的生产图纸卖给我们,价格以图纸重量计,每公斤图纸要我们2t大豆,据说图纸总重160kg。西安804厂就按苏联图纸制造硫化铅探测器。将导弹国产化之后,成为中国空军装备的第一代空空PL-2红外制导导弹。
1958年12月30日有人来物理所找到汤定元,要物理所承担导弹用的PbS红外探测器的试制任务,并要汤定元负责。当时他接受了任务,来人要求第二天就开始工作。该任务由来自9个单位共18人参与,除少数一两人外,从1958年12月31日和1959年1月1日两天内到齐开始工作。物理所的PbS探测器是“55号”任务中的一摊,由所党委专职书记张雯领导,她向委员会负责,并参加委员会的各种会议。当时任务很紧,要求半年内做出性能良好的PbS探测器来。工作开始,汤定元确定采用化学沉淀和高温敏化处理制备PbS红外探测器。同时用较大人力建立检测设备,包括黑体辐射源、噪声频谱和光谱响应等。由于所有参与的同志年轻肯干、以能参加国家任务为荣,基本不休息,连续干了4个月,到5月份,实验设备都已建成。经过正式测量,探测器也达到了相当高的水平。撰写了总结报告,约8万字,打印装订成册。

他们对红外探测器主要参数所采用的测试方法和所建立的测试设备,正好与美国在1959年9月在IREJOSA两科学期刊上以专刊形式,第一次公布美国在高度保密条件下发展起来的红外技术内容相一致。这说明他们的思路是正确的,没有走弯路。在试制硫化铅探测器的过程中由试制组里的赵清义提议,汤定元还主持编译了《红外光电探测器及其材料》,这部书稿最终译出28万字,由科学出版社出版。1962年2月付印了6500册,第二年5月又重印4500册。这样的销量,在当时令汤定元感到有些惊奇。

3 第二封信——研制红外雷达的起伏

汤定元由于参加过“55号”任务,又从美国杂志上了解到整个红外技术的重要性。因此,他在1960年12月30日写了一封信,请所党委寄给国防科委聂荣臻主任,信中要求重视红外技术的研究工作,不要让它中断。不久,国防科委光学组的于甲本参谋来找他谈,大意是:目前正在贯彻“调整、巩固、充实、提高”八字方针,不允许建立新机构。如果有什么想法,可以做个计划,要一些人和经费,在原单位加强力量。汤定元作了一些尝试,发现没有合适的单位可依靠,这事也就不了了之。

在“55号”任务期间,汤定元等去南京天文仪器厂订制了一个直径30cm的球面反射镜,将这个球面反射镜和硫化铅红外探测器组装成功一台演示性的红外接收系统。利用这个系统,曾与国防部有关单位合作进行了飞机目标辐射的测量。第一次在北京南苑机场,在那里住了几天;第二次在天津杨村机场。当时已经是冬天,夜间的机场温度己降到零下17℃。汤定元亲自参加了这两次实验,并取得了一些数据,这是国内首次进行目标辐射的测量。

1959年底,中国科学院举办了一个专向中央领导汇报的科研成果展览会。汤定元等又利用那个反射镜做成一个显示红外雷达原理的模型,送去展览。展览地点为刚落成但未使用的自动化研究所大楼,它的走廊长100多米,接收器放在走廊的一端,目标(人抽香烟)在另一端。据派去的讲解员回来说,所有中央领导及三军司令都曾参观过该展览会。红外雷达是展览会中最令人感兴趣的三个展品之一(另二个是计算机和有机半导体)。每次中央高级领导来,都是院党组书记张劲夫亲自讲解。

有一次,有一位重要的中央领导来参观。钱学森陪同,向他介绍说,红外雷达可以预警洲际弹道导弹的来袭。领导问要在多远距离上发现洲际弹道导弹,才来得及采取对抗措施。钱说至少要800km。那位领导接着说,那么我们就做一个800km的红外雷达吧!这就是1960年初开始的“59号”任务。由物理所牵头,电子所、电工所、长春光机所和昆明物理所五个单位组织力量,共同承担。物理所由徐叙溶负责,实验室设在物理楼五楼。这个任务保密特别严格,汤定元一开始对此并不知情。

1958年应用物理研究所更名为物理研究所,大部份搬到中关村新建的研究所所址。1960年己经是"大跃进”之后的困难时期,研究工作的“下马风”很盛。物理研究所由于人力不足,准备终止红外研究工作。原来参加过“55号”任务的单位都希望物理研究所的红外探测器的研究工作继续进行下去,并纷纷将这样的意见反映给中央领导层。于是空军司令部就派人到物理研究所来提出继续研究红外探测器的要求,根据上级的要求,物理研究所才成立了以红外探测器为研究方向的第九研究室。建室初期人力与物力更是不足,又值经济困难时期,基本上开展不了什么研究工作。1960年9月半导体研究室从物理研究所独立出来,成立半导体研究所,所址仍在东皇城根的原应用物理所的所址。由中国科学院院部决定,汤定元应属于半导体研究所,他于1960年秋离开物理所九室到半导体所。当时新的半导体研究所有5个研究室和3个与室平行的独立组。第五研究室是研究半导体光电现象的,独立七组研究半导体温差电现象,五室和七组均由汤定元负责。从那以后研究工作逐步进入正常状态。

1961年国家科委为制订“全国科学发展规划”作准备。经物理所所长施汝为介绍,汤定元向主持科委日常工作的韩光副主任汇报了红外技术的重要性及国外的发展概况,当时在座的还有一位九局局长赵石英。他们要汤定元专门向中央领导汇报情况的“内参”写一篇介绍红外技术的短文章,看来当时的领导们对红外技术还是很重视的。有一次赵石英告诉汤定元,他已在全国大学和研究所作过一次红外研究力量的调查,竟没有一个副教授以上的人在做红外方面工作,连讲师也没有。鉴于红外技术在国外的发展,这一调查结果应该是符合事实的。

“全国科学发展规划”是1962年夏秋季在北京制订的。这个规划会议想争取把光学和声学两学科都作为独立学科组,获得重点发展。汤定元参加光学组讨论,在讨论中大家觉得:激光是1960年初次出现,在制订光学发展规划时不可能考虑到它,仅凭经典光学的一些应用,可能不能引起中央领导的重视。而红外技术在军事上的应用,中央领导都已知道。因此大家同意把这一学科组改名为“光学及红外技术”。印发的规划书就用了这个名称。

4 第三封信——建立红外科学技术研究所

汤定元由于对“59号”任务的不知情,1960年初建立这一任务时没有参加,也不知道该任务的工作,在离开物理所第九研究室的一年半里,对该室的工作情况完全不了解,直到1962年4月他又兼任物理研究所第九研究室主任时情况才发生了变化。1963年初,上级领导要九室恢复“59号”任务。这时他第一次去物理楼五楼该任务的实验室接收这项工作,并没有移交人。这时看到这项工作是准备在一部国产的微波雷达上装一个红外探头,改成红外雷达。从当时的设备上,看不出这项工作进展到什么程度,只见雷达上到处散放着工具。得知有“劳逸结合”的指示后,连整理一下工具的事都没有做。

为了“59号”任务,汤定元与九室副主任唐生金进行了讨论,唐建议写封信给当时院秘书长杜润生。于是汤定元写了一封直截了当的信,问中科院是否准备发展红外技术,如果要发展,就应当加强力量。杜润生秘书长很快回了一封只有两句话的信:一定要发展,请学部及新技术局组织一次讨论会。这就导致1963年12月的院内“红外工作会议”。昆明物理所的李炽和上海技术物理所的匡定波都参加了那次会议。除了学术交流外,会议还决定向院党组建议:将昆明物理所及上海技物所转向为红外技术专业所,将北京物理所和半导体所的红外方面的工作分别调整到这两个所。其实这正是数理学部正在设想的方案,所以1964年初,中科院工作会议就做出了这个决定。当时这四个所都属于数理学部,因此这一调动就由数理学部负责。

1964年5月,汤定元带领中国科学院半导体研究所13位科研人员转到上海技术物理研究所。1964年上海技术物理研究所进行方向任务调整后,全所转向红外技术与物理研究,从而成为专业的红外技术研究所。

5 关于红外科学技术的军事应用

诞生于20世纪50年代的U-2(Utility-2)高空侦察机,很长时间以来都被美国作为主要侦察工具。U-2飞机[1]速度快(804km/h)飞得远(约7000km)、飞得高(22800m)。这样的高度高射炮打不着,战斗机又跟不上,所以横行一时。飞机上配备有B-1型762长焦距照相机,内置20cm宽胶片2500m,在18000m高空航拍照片,地面的分辨率可以达到0.7m。飞机还配有—架红外扫描仪,也称红外相机。

1958年3月美国飞行员驾驶U-2飞机首次侵入中国领空,遭到我外交部严正抗议。此后美国便将一批U-2飞机运进我国台湾地区,并由台湾飞行员驾驶飞机对中国大陆进行频繁的侦察。由于这批飞机的队徽是黑猫,台湾执行U-2飞行的部队被称为“黑猫中队”,该中队的飞机供应、维修、使用和指挥大权完全操纵在美国手中。每次飞行都要由美国总统和蒋介石共同批准。飞机拍摄的照片也完全由美国人掌握。由于当时中国国防力量的薄弱,U-2飞机入窜大陆的活动曾多次得逞,对中国国防带来了严重的威胁。我解放军空军领导机关和地空导弹部队悉心研究了这种飞机入窜的规律和特点,决定从当时为数不多的、守卫首都北京的苏制萨姆-2导弹部队中抽调一个营,在U-2飞机可能入侵的航路上进行伏击。1962年9月9日8时许,我们第一次击落了入侵南昌上空的U-2飞机。这次战斗,开创了人类防空史上用地空导弹击落敌机的先河。中国人用什么武器打下世界最先进的U-2飞机,一时间令世界感到惊奇。有一次面对记者的提问,外交部部长陈毅元帅诙谐地说:“我们是用竹竿把它捅下来的。”

此后中国仿制的红旗系列防空导弹成功生产,装备部队,又陆续打下多架U-2飞机[3]。最后一次是1967年9月8日击落的第7架U-2飞机。也许是精确打击使U-2飞机在大陆上望而却步,也许是“黑猫中队”的U-2飞机全部打完了,从此结束了U-2飞机入侵大陆长达68个月(1962.1—1967.9)110架次的侦察飞行。

从1965年1月10日在内蒙古包头地区击落的第4架U-2飞机的残骸中发现,机上装备的D-2型窄视场照相机和F-2型红外扫描仪受损比较小。于是,有关方面便将这些破损的仪器交给了南京某雷达研究所,分析并仿制。当时上海技术物理所派了5名研究人员前去南京一起工作。在获知敌方红外扫描仪中用的是锗掺汞红外探测器后,上海技术物理所一室就把原来研究锗掺金探测器的课题改为研究锗掺汞探测器。在与上海技术物理所科研人员合作的过程中,南京的雷达所认为技物所更适合于红外扫描仪的研制任务。这样,一项以飞机被击落的年月命名的任务(“651”任务)就落到了上海技术物理所。这个任务包括研制锗掺汞探测器、斯特林制冷机和整机。还有一些零部件则由上海市科委出面邀请市内有关厂家研制。

科学研究是艰苦的,有时甚至要付出血的代价。在研制锗掺汞探测器过程中,由于探测器工作温度是38K,研究初期测试阶段用的制冷剂是氢气。1965年4月9日,由于液态氢的爆炸,技物所的连志超同志当场牺牲,洛阳的一位同志也负了重伤,复旦大学物理系的黄心源同志在抢救过程中不幸坠楼牺牲。这次曾向全国通报的事故至今还是上海技术物理研究所安全教育的重要内容。痛定思痛,技物所也因此着手建立了液氖的生产设备以杜绝使用液氢的危险。事故发生后,国防科工委的于甲本参谋到所参加善后工作。他对当时针对国家重大任务投入研究的情况表示非常满意,说回去后要向聂荣臻主任汇报。

美国军用飞机侵入中国领空是常有的事。而1965年4月9日的入侵却发生了奇怪的事故[4]。美国8架F-4B“鬼怪”式战斗机分两批侵入中国海南岛上空,我海空军4架歼-5战斗机起飞拦截,当我军一架飞机追赶第一批美机中的一架飞机时,第二批美机中的一架飞机又跟在这架飞机之后。我军这架飞机的驾驶员是一位很有经验的上校飞行员,当他听到地面的通知,说他后面有一架美机要当心时,他立即来了个90°的急转弯,就在这一瞬间,后面美国飞机的导弹居然鬼使神差地命中了另一架美国飞机。在坠落的这架F-4B鬼怪式飞机残骸中我们发现了红外搜索跟踪系统,即机载红外雷达以及空-空导弹、计算机等。这些战利品一并被送往洛阳的612所进行分析研究。

汤定元得知,F-4B鬼怪式飞机上有机载红外雷达时,他猜想使用的应该是锑化铟探测器,工作波段为3-5μm。他立刻写信给聂荣臻主任,在信中阐述了红外辐射在军事上的应用就是1-3μm、3-5μm以及8-14μm这三个波段。中国通过来犯敌人入侵而坠落在境内的响尾蛇导弹(硫化铅,1-3μm)、F-4B鬼怪式飞机(锑化铟,3-5μm)和U-2飞机(锗掺汞,8-14μm),以一种非常特殊的方式“引进”了国外这三个波段的红外装备。如果我们能抓紧时机研制出这三个波段的红外部件,同时弄清这些装备的设计思想,那么就有可能在较短的时间内掌握军用红外技术。信的最后汤定元突出了主题,要求上海技术物理所能够承担起机载红外雷达的研制任务。5月28日聂荣臻主任在北京召开了有关F-4B鬼怪式飞机残骸的工作会议。在会上他把红外雷达的研制任务分配给了上海技术物理所。汤即刻与所里5位同事去洛阳612所“拜见”美方红外雷达的残骸,两个月后带回了以工作会议召开日期命名的“528”红外雷达研制任务。

就这样,两个重要波段的研制任务都落到了上海技术物理所。深知任务的光荣和艰巨,上海技术物理所上下同心协力,全力以赴。首先恢复了红外扫描仪的测试,在此基础上研制成功了歼侦-6飞机的红外扫描仪。红外扫描仪也因此在上海技术物理所起家,发展到今天的各种先进机载星载多谱扫描成像仪。当时,红外雷达则由于收集到的残骸实在太破烂,在上海技物所,3-5μm的锑化铟探测器没有对红外雷达做出太有意义的结果。

本文原标题: 中国红外科学技术的早期发展,转载自《中国近代和现代光学与光电子学发展史》一书。
由《光电产品与资讯》2015年第11期刊发。

 
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