据央视新闻 10 月 11 日报道，世界最大的单体有机玻璃球在中国建成，这个直径 35.4 米的大玻璃球位于广东江门的地下 700 米深处，是江门中微子实验中心探测器的关键部件。在央视新闻拍摄的照片中，最吸引眼球的是大玻璃球内部布满了一颗颗的“小灯泡”，这些看起来“平平无奇”的小灯泡有什么用呢？其实，它们的真正身份是“光电倍增管”，是可以探测单个光子的真空器件，用于探测中微子。左图：江门中微子实验的有机玻璃球外部。右图：有机玻璃球内部一排排的“小灯泡”。图源：央视新闻
光电倍增管粗看起来和我们平时在商店里常见的灯泡很像，但国际售价却要 3000 美元一个！它实际上不是灯泡，而是 20 英寸的光电倍增管，科技含量满满！等待检测的光电倍增管。图源：中国科学院高能物理研究所
光电倍增管（简称PMT）是一种真空电子器件，可以把光信号转换为电信号。简单来说，它可以把入射的光子通过光电效应转化成电子，少数的电子在倍增电场的作用下发生二次电子发射，可以倍增放大获得更多的电子，放大后的这些电子通过阳极收集后输出[1]。入射光子打到阴极发生光电效应产生电子，电子在倍增电场的作用下不断飞向倍增极产生二次电子，经过多次倍增把信号放大。图源：维基百科
想象一下，在乌黑的环境中，你的眼睛什么都看不到，神奇的光电倍增管却是“火眼金睛”，它能灵敏、快速地捕捉到那些极微弱的光信号，将其转换成更强的电信号，帮助你准确地看到这些极微弱的光信号。正因为它独特的高灵敏度、高响应速度等优点，光电倍增管在空间技术、考古、医学、地质学、生物学、天文学、冶金、化学、农业和军事等领域都有广泛的应用，被用于光子计数、弱光探测、化学发光、生物发光、宇宙射线探测器、分光光度计、色度计、生化分析仪等设备[2]。在解释世界万物构成的粒子物理学标准模型中，中微子是构成我们这个物质世界的基本粒子之一。中微子最显著的特点就是几乎不与物质相互作用，穿透能力非常强，科学家要在实验中探测中微子也非常困难。构成物质世界最基本的粒子有12种，包括6种夸克，3种带电轻子和3种中微子。图源：中国科学院高能物理研究所
你可能觉得中微子应该很稀少，然而，事实是我们生活中的中微子其实非常多，几乎无处不在，每秒钟就有 3 亿亿个太阳中微子穿过你的身体，你吃的香蕉也在不断地产生中微子，甚至人体本身也通过“钾 40” 的衰变不断产生中微子。因为这些中微子穿透能力非常强，几乎可以毫无阻碍地穿过人体，甚至可以穿过地球和太阳，这极强的穿透能力让中微子“来去无踪”，难以捕捉，也让中微子获得了“幽灵粒子”的名号。科学家希望通过中微子实验来探测这种粒子。虽然中微子本身不能被直接探测，但大量中微子穿过探测器时，极少的一部分中微子有概率会被探测器的工作物质捕获，发生反应生成可观测的光子，这些光子再由光电倍增管收集放大，相当于间接看到了中微子。探测中微子非常困难，现代的大型中微子实验动辄上万吨，让大量的工作物质“守株待兔”，一大批中微子中，只有某几个能被探测器幸运地捕获。以江门中微子实验为例，2 万吨液体闪烁体每天只能探测到 60 个反应堆中微子、4 个大气中微子、1 个地球中微子，以及 90 个“硼 8”太阳中微子。与之相比，作为本底的宇宙线则有 10 万个，这还是将探测器放到地下 700 米、宇宙线流强降低了 20 万倍后的结果[3]。中微子的探测离不开光电倍增管，特别是大尺寸的光电倍增管可以实现更高的光子探测效率，帮助科学家找到微弱的中微子信号。在国际市场上，日本一家公司生产的光电倍增管（特别是大尺寸的光电倍增管）在行业制造领域，可谓“独步天下”。在 2016 年之前，全世界只有日本公司有能力生产世界最大的 20 英寸光电倍增管，一口价 3000 美元一个，买家只能硬着头皮下单，因为全世界独此一家。当年日本的“超级神冈中微子实验”，向本国公司订购了 11000 多个这样的大尺寸光电倍增管，仅仅是光电倍增管一项的花销，就花了三千多万美元（按当时汇率，已经超过两亿人民币）。看起来毫不起眼、跟灯泡一个模样的 20 英寸光电倍增管，尽管贵，却是物有所值。科学家的中微子实验离不开它，从“神冈实验”到“超级神冈实验”，光电倍增管“帮助”日本人获得了两次诺贝尔物理学奖，一次是 2002 年小柴昌俊因发现超新星中微子获奖，还有一次是 2015 年梶田隆章等人因发现中微子振荡获奖。中国科学家 2015 年着手建造的“江门中微子实验”大科学装置，需要使用 20000 个 20 英寸的光电倍增管，如果全部向日本公司购买，这将是一笔非常大的开销。于是，在江门中微子实验动工之前，中国科学院高能物理研究所的科学家们就早早地做足了筹备。中国科学家在实验室研制成功的20英寸光电倍增管。图源：中国科学院高能物理研究所
由中国科学院高能物理研究所牵头，中国兵器工业集团北方夜视、中国科学院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成合作组集体攻关，攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳，以及真空光电子器件封装技术等多个技术难点，最终研制出量子效率、收集效率和单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际先进水平的样管。这一成果突破了 20 英寸光电倍增管的制造技术，新型光电倍增管实现国产化，拥有完全的自主知识产权，大幅提升了国内企业在超大型电真空器件的创新能力和国际竞争力[4]。现任中国科学院高能物理研究所所长曹俊与光电倍增管的合影。图源：曹俊
北方夜视公司建立了用于生产大尺寸光电倍增管的专门生产线，这些 20 英寸光电倍增管不仅可以用于江门中微子实验，还可用于测量微弱光信号等情况。例如，位于四川的高海拔宇宙线观测站 LHAASO，也使用了北方夜视生产的 20 英寸光电倍增管，用于探测宇宙射线。我们的大尺寸光电倍增管是国际最高光子探测效率的光电倍增管，打破了该领域的国际垄断，并获得欧盟、美国、日本等的专利授权。这是科学界与工业界跨界合作，通过大科学装置推动工业技术进步的成功典范。期待未来出现更多这样的成果！[1]光电倍增管的发明：http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741583.html
[2]光电倍增管的应用：http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741602.html
[3]曹俊：中微子研究的历史与未来，现代物理知识2015, 27(6): 4-8.
[4]突破光电倍增管制造技术：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/11/361915.shtm
来源：科普中国
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编辑：姬子隰
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