看似平平無奇的“小燈泡”，其實是令人嘖嘖稱奇的“大科技”

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米的大玻璃球位於廣東江門的地下700米深處，是江門中微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佈滿了一顆顆的“小燈泡”，這些看起來“平平無奇”的小燈泡有什麼用呢？

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，用於中微子的探測。

江門中微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）

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裡賣幾塊錢的燈泡很像，但國際售價卻要3000美元一個！因爲它實際上不是燈泡，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，可以把光信號轉換爲電信號。

簡單來說，它可以把入射的光子通過光電效應（就是讓愛因斯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，放大後的這些電子通過陽極收集後輸出[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，把信號放大。

（圖片來源：wikipedia）

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

正因爲獨特的高靈敏度、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應用，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、生化分析儀等設備[2]。

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

構成物質世界的最基本的粒子有12種，包括6種夸克，3種帶電輕子和3種中微子

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

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

因爲這些中微子穿透能力非常強，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。

科學家卻不信邪，希望通過中微子實驗來探測這種粒子。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，極少的一部分中微子有概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，相當於間接看到了中微子。

探測中微子非常困難，現代的大型中微子實驗動輒上萬噸，讓大量的工作物質守株待兔，一大批中微子中的某幾個被探測器幸運地捕獲。以江門中微子實驗爲例，2萬噸液體閃爍體每天只能探測到60個反應堆中微子，4個大氣中微子，1個地球中微子，以及90個硼8太陽中微子。與之相比，作爲本底的宇宙線則有10萬個，這還是將探測器放到地下700米、宇宙線流強降低了20萬倍後的結果[3]。

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現更高的光子探測效率，幫助科學家找到微弱的中微子信號。

在國際市場上，日本一家公司生產的光電倍增管佔有壟斷地位。可以這麼說，在光電倍增管的製造領域，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，買家只能硬着頭皮下單，因爲全世界獨此一家。

當年日本的超級神岡中微子實驗，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，儘管貴，卻是物有所值。

科學家的中微子實驗離不開它，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中微子獲獎，還有一次是2015年梶田隆章等人因發現中微子振盪獲獎。

中國科學家2015年着手建造的“江門中微子實驗”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。

大尺寸的光電倍增管，買不如造！

於是，在江門中微子實驗動工之前，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製成功的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製備技術、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，最終研製出量子效率、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英寸光電倍增管的製造技術，新型光電倍增管實現國產化，擁有完全的自主知識產權，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]。

時任中國科學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：中國科學院高能物理研究所）

北方夜視公司建立了用於生產大尺寸光電倍增管的專門生產線，這些20英寸光電倍增管不僅可以用於江門中微子實驗，還可用於測量微弱光信號等情況。例如位於四川的高海拔宇宙線觀測站LHAASO，也使用了北方夜視生產的20英寸光電倍增管，用於探測宇宙射線。

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，打破了該領域的國際壟斷，並獲得歐盟、美國、日本等的專利授權。這是科學界與工業界跨界合作，通過大科學裝置推動工業技術進步的成功典範。期待未來出現更多這樣的成果！

參考文獻：

[1] 光電倍增管的發明：http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741583.html

[2] 光電倍增管的應用：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，現代物理知識2015, 27(6): 4-8.

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

出品：科普中國

作者：覃拈（物理學博士）

監製：中國科普博覽