看似平平無奇的「小燈泡」，其實是令人嘖嘖稱奇的「大科技」

2024-11-06科技

根據央視新聞近日（2024年10月11日）報道，世界最大的單體有機玻璃球在中國建成，這個直徑35.4公尺的大玻璃球位於廣東江門的地下700公尺深處，是江門微中子實驗中心探測器的關鍵部件。

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」的小燈泡有什麽用呢？

其實， 它們的真正身份是「光電倍增管」 ，是可以探測單個光子的真空器件，用於微中子的探測。

江門微中子實驗的有機玻璃球外部（圖片來源：央視新聞）

有機玻璃球內部一排排的「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常見的商店裏賣幾塊錢的燈泡很像，但國際售價卻要3000美元一個！因為它實際上不是燈泡，而是20英寸的光電倍增管，科技含量滿滿，價格可比燈泡貴多了。

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，可以把光訊號轉換為電訊號。

簡單來說，它可以把入射的光子透過光電效應（就是讓愛因史坦獲得諾貝爾物理學獎的那個效應）轉化成電子，少數的電子在倍增電場的作用下發生二次電子發射，可以倍增放大獲得更多的電子，放大後的這些電子透過陽極收集後輸出[1]。

入射光子打到陰極發生光電效應產生電子，電子在倍增電場的作用下不斷飛向倍增極產生二次電子，經過多次倍增，把訊號放大。

（圖片來源：wikipedia）

想象一下，在一個烏漆嘛黑的環境中，你的眼睛什麽都看不到，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訊號，將其轉換成更強的電訊號，幫助你準確地看到這些極微弱的光訊號。

正因為獨特的高靈敏度、高響應速度等優點，光電倍增管在空間技術、考古、醫學、地質學、生物學、天文學、冶金、化學、農業和軍事等領域都有廣泛套用，被用於光子計數、弱光探測、化學發光、生物發光、宇宙射線探測器、分光光度計、色度計、生化分析儀等裝置[2]。

「來去無蹤」的微中子

在解釋世界萬物構成的粒子物理學標準模型中，微中子是構成我們這個物質世界的基本粒子之一。微中子最顯著的特點就是幾乎不與物質交互作用，穿透能力非常強，科學家要在實驗中探測微中子也非常困難。

構成物質世界的最基本的粒子有12種，包括6種誇克，3種帶電輕子和3種微中子

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

你可能覺得微中子應該很稀少，然而，事實是我們生活中的微中子其實非常多，幾乎無處不在。每秒鐘有3億億個太陽微中子穿過你的身體，你吃的香蕉也在不斷地產生微中子，甚至人體本身也透過鉀40的衰變不斷產生微中子。那為什麽你毫無察覺呢？

因為這些微中子穿透能力非常強，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，這極強的穿透能力讓微中子「來去無蹤」難以捕捉，也讓微中子獲得了「幽靈粒子」的名號。

科學家卻不信邪，希望透過微中子實驗來探測這種粒子。雖然微中子本身不能被直接探測，但大量微中子穿過探測器時，極少的一部份微中子有機率會被探測器的工作物質捕獲，發生反應生成可觀測的光子，這些光子再由光電倍增管收集放大，相當於間接看到了微中子。

探測微中子非常困難，現代的大型微中子實驗動輒上萬噸，讓大量的工作物質守株待兔，一大批微中子中的某幾個被探測器幸運地捕獲。以江門微中子實驗為例，2萬噸液體閃爍體每天只能探測到60個反應爐微中子，4個大氣微中子，1個地球微中子，以及90個硼8太陽微中子。與之相比，作為本底的宇宙線則有10萬個，這還是將探測器放到地下700公尺、宇宙線流強降低了20萬倍後的結果[3]。

實作國產的江門微中子實驗

微中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作更高的光子探測效率，幫助科學家找到微弱的微中子訊號。

在國際市場上，日本一家公司生產的光電倍增管占有壟斷地位。可以這麽說，在光電倍增管的制造領域，這家公司確實獨步天下。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。世界最大的20英寸光電倍增管，一口價3000美元一個，買家只能硬著頭皮下單，因為全世界獨此一家。

當年日本的超級神岡微中子實驗，向本國公司訂購了11000多個這樣的大尺寸光電倍增管，僅僅是光電倍增管一項的花銷，就花了三千多萬美元（按當時匯率，已經超過兩億人民幣）。

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

科學家的微中子實驗離不開它，從神岡到超級神岡實驗，光電倍增管「幫助」日本人獲得了兩次諾貝爾物理學獎，一次是2002年小柴昌俊因發現超新星微中子獲獎，還有一次是2015年梶田隆章等人因發現微中子振蕩獲獎。

中國科學家2015年著手建造的「江門微中子實驗」大科學裝置，需要使用20000個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。

如何降低實驗成本，花小錢辦大事呢？

大尺寸的光電倍增管，買不如造！

於是，在江門微中子實驗動工之前，中國科學院高能物理研究所的科學家們就已經早早地做足了籌備。

中國科學家在實驗室研制成功的20英寸光電倍增管（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

由中國科學院高能物理研究所牽頭，中國兵器工業集團北方夜視、中國科學院西安光學精密機械研究所、中核控制系統股份有限公司和南京大學等單位組成合作組集體攻關，攻克了高量子效率的光陰極制備技術、微通道板、大尺寸玻殼，以及真空光電子器件封裝技術等多個技術難點，最終研制出量子效率、收集效率和單光電子峰谷比等關鍵技術指標達到國際先進水平的樣管。

這一成果突破了20英寸光電倍增管的制造技術，新型光電倍增管實作國產化，擁有完全的自主智慧財產權，大幅提升了國內企業在超大型電真空器件的創新能力和國際競爭力[4]。