出品：科普中國

作者：覃拈（物理學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

根據(jù)央視新聞近日（2024年10月11日）報(bào)道，世界最大的單體有機(jī)玻璃球在中國建成，這個(gè)直徑35.4米的大玻璃球位于廣東江門的地下700米深處，是江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測器的關(guān)鍵部件。

在央視新聞拍攝的照片中，最吸引眼球的是大玻璃球內(nèi)部布滿了一顆顆的“小燈泡”，這些看起來“平平無奇”的小燈泡有什么用呢？

其實(shí)，它們的真正身份是“光電倍增管”，是可以探測單個(gè)光子的真空器件，用于中微子的探測。

江門中微子實(shí)驗(yàn)的有機(jī)玻璃球外部

（圖片來源：央視新聞）

有機(jī)玻璃球內(nèi)部一排排的“小燈泡”

（圖片來源：央視新聞）

“平平無奇”的光電倍增管

相貌平平無奇的光電倍增管，粗看起來和我們平時(shí)常見的商店里賣幾塊錢的燈泡很像，但國際售價(jià)卻要3000美元一個(gè)！因?yàn)樗鼘?shí)際上不是燈泡，而是20英寸的光電倍增管，科技含量滿滿，價(jià)格可比燈泡貴多了。

等待檢測的光電倍增管

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

光電倍增管（簡稱PMT）是一種真空電子器件，可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

簡單來說，它可以把入射的光子通過光電效應(yīng)（就是讓愛因斯坦獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的那個(gè)效應(yīng)）轉(zhuǎn)化成電子，少數(shù)的電子在倍增電場的作用下發(fā)生二次電子發(fā)射，可以倍增放大獲得更多的電子，放大后的這些電子通過陽極收集后輸出[1]。

入射光子打到陰極發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生電子，電子在倍增電場的作用下不斷飛向倍增極產(chǎn)生二次電子，經(jīng)過多次倍增，把信號(hào)放大。

（圖片來源：wikipedia）

想象一下，在一個(gè)烏漆嘛黑的環(huán)境中，你的眼睛什么都看不到，神奇的光電倍增管卻是火眼金睛，它能靈敏、快速地捕捉到那些極微弱的光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成更強(qiáng)的電信號(hào)，幫助你準(zhǔn)確地看到這些極微弱的光信號(hào)。

正因?yàn)楠?dú)特的高靈敏度、高響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，光電倍增管在空間技術(shù)、考古、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、冶金、化學(xué)、農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，被用于光子計(jì)數(shù)、弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光、宇宙射線探測器、分光光度計(jì)、色度計(jì)、生化分析儀等設(shè)備[2]。

“來去無蹤”的中微子

在解釋世界萬物構(gòu)成的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是構(gòu)成我們這個(gè)物質(zhì)世界的基本粒子之一。中微子最顯著的特點(diǎn)就是幾乎不與物質(zhì)相互作用，穿透能力非常強(qiáng)，科學(xué)家要在實(shí)驗(yàn)中探測中微子也非常困難。

構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本的粒子有12種，包括6種夸克，3種帶電輕子和3種中微子

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

你可能覺得中微子應(yīng)該很稀少，然而，事實(shí)是我們生活中的中微子其實(shí)非常多，幾乎無處不在。每秒鐘有3億億個(gè)太陽中微子穿過你的身體，你吃的香蕉也在不斷地產(chǎn)生中微子，甚至人體本身也通過鉀40的衰變不斷產(chǎn)生中微子。那為什么你毫無察覺呢？

因?yàn)檫@些中微子穿透能力非常強(qiáng)，不僅可以幾乎毫無阻礙地穿過人體，甚至可以穿過地球和太陽，這極強(qiáng)的穿透能力讓中微子“來去無蹤”難以捕捉，也讓中微子獲得了“幽靈粒子”的名號(hào)。

科學(xué)家卻不信邪，希望通過中微子實(shí)驗(yàn)來探測這種粒子。雖然中微子本身不能被直接探測，但大量中微子穿過探測器時(shí)，極少的一部分中微子有概率會(huì)被探測器的工作物質(zhì)捕獲，發(fā)生反應(yīng)生成可觀測的光子，這些光子再由光電倍增管收集放大，相當(dāng)于間接看到了中微子。

探測中微子非常困難，現(xiàn)代的大型中微子實(shí)驗(yàn)動(dòng)輒上萬噸，讓大量的工作物質(zhì)守株待兔，一大批中微子中的某幾個(gè)被探測器幸運(yùn)地捕獲。以江門中微子實(shí)驗(yàn)為例，2萬噸液體閃爍體每天只能探測到60個(gè)反應(yīng)堆中微子，4個(gè)大氣中微子，1個(gè)地球中微子，以及90個(gè)硼8太陽中微子。與之相比，作為本底的宇宙線則有10萬個(gè)，這還是將探測器放到地下700米、宇宙線流強(qiáng)降低了20萬倍后的結(jié)果[3]。

實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)的江門中微子實(shí)驗(yàn)

中微子的探測離不開光電倍增管，特別是大尺寸的光電倍增管可以實(shí)現(xiàn)更高的光子探測效率，幫助科學(xué)家找到微弱的中微子信號(hào)。

在國際市場上，日本一家公司生產(chǎn)的光電倍增管占有壟斷地位。可以這么說，在光電倍增管的制造領(lǐng)域，這家公司確實(shí)獨(dú)步天下。特別是大尺寸的光電倍增管，在2016年之前，全世界只有日本公司有能力生產(chǎn)。世界最大的20英寸光電倍增管，一口價(jià)3000美元一個(gè)，買家只能硬著頭皮下單，因?yàn)槿澜绐?dú)此一家。

當(dāng)年日本的超級(jí)神岡中微子實(shí)驗(yàn)，向本國公司訂購了11000多個(gè)這樣的大尺寸光電倍增管，僅僅是光電倍增管一項(xiàng)的花銷，就花了三千多萬美元（按當(dāng)時(shí)匯率，已經(jīng)超過兩億人民幣）。

看起來毫不起眼、平平無奇，跟燈泡一個(gè)模樣的20英寸光電倍增管，盡管貴，卻是物有所值。

科學(xué)家的中微子實(shí)驗(yàn)離不開它，從神岡到超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，光電倍增管“幫助”日本人獲得了兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，一次是2002年小柴昌俊因發(fā)現(xiàn)超新星中微子獲獎(jiǎng)，還有一次是2015年梶田隆章等人因發(fā)現(xiàn)中微子振蕩獲獎(jiǎng)。

中國科學(xué)家2015年著手建造的“江門中微子實(shí)驗(yàn)”大科學(xué)裝置，需要使用20000個(gè)20英寸的光電倍增管，如果全部向日本公司購買，這將是一筆非常大的開銷。

如何降低實(shí)驗(yàn)成本，花小錢辦大事呢？

大尺寸的光電倍增管，買不如造！

于是，在江門中微子實(shí)驗(yàn)動(dòng)工之前，中國科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家們就已經(jīng)早早地做足了籌備。

中國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室研制成功的20英寸光電倍增管

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，中國兵器工業(yè)集團(tuán)北方夜視、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、中核控制系統(tǒng)股份有限公司和南京大學(xué)等單位組成合作組集體攻關(guān)，攻克了高量子效率的光陰極制備技術(shù)、微通道板、大尺寸玻殼，以及真空光電子器件封裝技術(shù)等多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，最終研制出量子效率、收集效率和單光電子峰谷比等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平的樣管。

這一成果突破了20英寸光電倍增管的制造技術(shù)，新型光電倍增管實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，大幅提升了國內(nèi)企業(yè)在超大型電真空器件的創(chuàng)新能力和國際競爭力[4]。

時(shí)任中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳與光電倍增管的合影

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

北方夜視公司建立了用于生產(chǎn)大尺寸光電倍增管的專門生產(chǎn)線，這些20英寸光電倍增管不僅可以用于江門中微子實(shí)驗(yàn)，還可用于測量微弱光信號(hào)等情況。例如位于四川的高海拔宇宙線觀測站LHAASO，也使用了北方夜視生產(chǎn)的20英寸光電倍增管，用于探測宇宙射線。

我們的大尺寸光電倍增管是國際最高光子探測效率的光電倍增管，打破了該領(lǐng)域的國際壟斷，并獲得歐盟、美國、日本等的專利授權(quán)。這是科學(xué)界與工業(yè)界跨界合作，通過大科學(xué)裝置推動(dòng)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的成功典范。期待未來出現(xiàn)更多這樣的成果！

參考文獻(xiàn)：

1.光電倍增管的發(fā)明：http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741583.html

2.光電倍增管的應(yīng)用：http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741602.html

3.曹俊：中微子研究的歷史與未來，現(xiàn)代物理知識(shí)2015, 27(6): 4-8.

4.突破光電倍增管制造技術(shù)：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/11/361915.shtm

來源: 中國科普博覽

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