科技日报记者 都芃
不久前，国际权威期刊《自然》刊发了我国科研团队重大成果——首次直接观测到“米格达尔效应”，终结了物理学界长达80多年的等待，更为人类探索轻暗物质这一宇宙谜题扫清关键障碍。在这一历史性突破的背后，由中国建筑材料科学研究总院有限公司研发的气体微通道板（GMCP），是“关键功臣”。
制造一场“电子雪崩”
米格达尔效应是1939年苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔提出的一个大胆预言：当中性粒子（如中子）与原子核碰撞时，反冲的原子核会将部分能量传递给核外电子，让电子脱离原子核的束缚，形成独特的“共顶点”带电径迹。这种径迹就像一连串的足迹，将原本“不可测”的低能核反冲信号，转化为“可观测”的电子信号。
但在过去的80多年里，受限于探测设备水平，人们一直难以精准捕捉这一过程中极其微弱的电子信号与独特径迹，因此米格达尔效应始终未被实验直接证实。直到我国科研团队以气体像素探测器为核心部件，自主研发出一组超灵敏探测装置打破了这一僵局。
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微结构材料研究所所长薄铁柱告诉记者，这款探测器就像一台专门拍摄微观粒子轨迹的超级相机，其“镜头”是顶部的特殊窗口，能让中子束顺利进入；“暗箱”里则装满了氦气和二甲醚的混合气体，相当于记录粒子轨迹的“感光胶片”；中间的气体微通道板则是关键的“信号放大器”，能对逃逸电子信号进行增益放大，最高可达10000倍以上，同时，探测器可以实现较高的能量分辨和时空分辨。
从外观来看，气体微通道板并不复杂，它拥有二十余万个密集排布的微米级通孔。板芯是绝缘体特种铅铋硅酸盐玻璃，板的上下表面则镀有金属层作为电极。这种特殊结构使得气体微通道板的工作原理类似于制造一场“电子雪崩”。
当中子与气体经过复杂的交互作用，产生的微弱电离电子在探测器内的电场引导下，精准漂移到气体微通道板的微米级孔道中。随后，电子在孔道中强电场作用下被加速至极高的速度并撞击气体分子，进而电离出更多更新的电子，就像“一颗弹珠”撞向“一堆弹珠”后引发连锁反应。这些新产生的电子又会在电场中加速，再次撞击产生更多电子，瞬间就可以将原本微弱的信号放大成千上万倍。此外，气体微通道板中的体电阻在工作时还会像“搬运工”一样将倍增的电荷及时有效地从板的表面运走，从而消除电荷累积效应，使气体探测器在初加工作电压时以及不同辐射环境下，保持增益稳定。
突破高精度、高均匀性难题
作为适配气体探测器的关键器件，气体微通道板在探测米格达尔效应领域尚属首次探索应用。薄铁柱告诉记者，其制造环节面临多重严苛考验，核心难点集中在微米级阵列的高精加工与全域性能均一性的极致把控。他介绍，气体微通道板上的二十余万个微孔都是微米级精度。他们不仅要保证每个微孔的形态精准，还要严格控制相邻微孔的中心距偏差，确保阵列分布均匀。哪怕有一个微孔定位或形态出现微小偏差，都会影响整体的电子倍增效率和探测分辨率。同时，为提升电子放大效率，微孔内壁粗糙度需严格控制在1纳米以下，这对玻璃材料的选择、微孔成型工艺都提出了极高要求，需要在微米级狭小通道内实现原子级的光滑表面处理。
“最难的还是全域电阻的均一性保障。”薄铁柱说，二十余万个微孔各自构成独立的“微小导电通道”，如同二十余万个并联的“电路支路”，共同连接在同一对公共电极之间。要实现全域电阻均匀，就必须保证每个“支路”的电阻高度一致——这需要极稳定的材料和极致的工艺，任何一个环节的微小偏差都会影响信号放大的稳定性。
为了突破上述难题，团队聚焦核心关键问题，从材料设计、工艺开发、性能调控三方面开展系统性创新，成功满足了高精度、高均匀性的严苛要求。
在核心材料方面，特种玻璃的配方设计是制备气体微通道板的根基。为此，团队重点研发出适配需求的皮—芯玻璃体系，通过反复调试成分比例，破解了界面扩散难题，实现了理化性能的高度适配，从源头为后续制备流程筑牢了基础。在微米级通道精度控制上，研发团队针对二十余万个微孔阵列的精度要求，建立起“参数迭代—实验验证”的闭环体系。通过实时监测温度、张力等关键参数，不断优化调整工艺方案，精准控制相邻微孔偏差，确保微孔阵列的高精密排列。
最后，通过性能调控破解核心性能难题。团队开发出成套微孔成型工艺，让微孔形成粗糙度小于1纳米的超光滑内壁结构。在此基础上，团队针对制备过程中的所有热加工环节，建立多维度温度调控模型，最终实现全通道电阻的高度均一。二者相辅相成，共同保障了信号放大的稳定性和可靠性。
薄铁柱表示，团队的此次成功突破得益于此前中国建材总院在微通道板领域形成的成熟技术体系。作为国内微通道板领域从业最早、研发实力最强的单位，中国建材总院已构建起涵盖特种玻璃材料制备、微孔精准成型、理化处理、全面测试表征的全链条研制生产平台，在微通道板领域积累起深厚技术积淀与科研经验。
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