央视新闻拍摄的照片中，最引人注目的就是大玻璃球内部装满了“小灯泡”。这些看起来“平凡”的小灯泡有什么用呢？
事实上，它们的真实身份是“光电倍增管”，是一种可以探测单光子的真空装置，用于探测中微子。
左：江门中微子实验有机玻璃球的外部。右：有机玻璃球内的一排“小灯泡”。来源：央视新闻
“平庸”的光电倍增管
光电倍增管看起来和我们平时在商店里看到的灯泡很相似，但国际售价是每个3000美元！它其实不是一个灯泡，而是一个20英寸的光电倍增管，科技感十足！
等待检测的光电倍增管。来源：中国科学院高能物理研究所
光电倍增管（简称PMT）是一种能将光信号转换为电信号的真空电子器件。
简单来说，它可以通过光电效应将入射光子转换为电子。少量电子在倍增电场的作用下发生二次电子发射，可以被倍增放大以获得更多的电子。放大的电子被阳极收集。输出[1]。
入射光子撞击阴极，引起光电效应产生电子。电子在倍增电场的作用下继续飞向倍增极，产生二次电子。经过多次乘法后，信号被放大。资料来源：维基百科
想象一下，在黑暗的环境下，你的眼睛什么也看不见，但神奇的光电倍增管却是一只“火眼”。它可以灵敏、快速地捕获那些极其微弱的光信号，并将其转换为更强的信号。电信号可以帮助您准确地看到这些极其微弱的光信号。
光电倍增管因其高灵敏度、高响应速度等独特优点，广泛应用于航天技术、考古、医学、地质、生物、天文、冶金、化学、农业、军事等领域。应用于光子计数、微光检测、化学发光、生物发光、宇宙射线探测器、分光光度计、比色计、生化分析仪等设备[2]。
“来去无踪”的中微子
在解释世界上一切事物构成的粒子物理学标准模型中，中微子是构成我们物理世界的基本粒子之一。中微子最显着的特点是几乎不与物质相互作用，且具有很强的穿透力。科学家在实验中检测中微子也非常困难。
构成物质世界的最基本粒子有12种，其中包括6种夸克、3种带电轻子和3种中微子。
来源：中国科学院高能物理研究所
你可能认为中微子应该非常罕见。然而事实是，我们的生活中实际上存在大量的中微子，几乎无处不在。每秒有 30 亿个太阳中微子穿过你的身体。你吃的香蕉不断地产生中微子，甚至人体本身也通过“钾40”的衰变不断地产生中微子。
那你为什么没注意到呢？
由于这些中微子具有非常强的穿透能力，它们几乎可以毫无阻碍地穿过人体，甚至可以穿过地球和太阳。这种极强的穿透能力使得中微子“来去无踪”，难以捕捉。它也赋予中微子“幽灵粒子”的称号。
科学家希望通过中微子实验来探测这种粒子。虽然中微子本身无法被直接探测到，但当大量中微子通过探测器时，极小部分中微子可能会被探测器的工作材料捕获并发生反应，产生可观测的光子。然后这些光子被光电倍增管收集并放大，相当于间接看到中微子。
探测中微子非常困难。现代大型中微子实验往往需要数万吨，留下大量的工作材料需要“等待”。在大量的中微子中，只有少数能够幸运地被探测器捕获。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、90个“硼8”太阳中微子。微米。相比之下，有十万条宇宙射线作为背景。这是将探测器放置在地下700米，将宇宙射线强度降低20万倍的结果[3]。
实现国产江门中微子实验
中微子的探测离不开光电倍增管。特别是大尺寸光电倍增管可以实现更高的光子探测效率，帮助科学家发现微弱的中微子信号。
在国际市场上，日本某公司生产的光电倍增管（特别是大尺寸光电倍增管）在工业制造领域可谓“举世无双”。 2016年之前，全球只有一家日本公司有能力生产全球最大的20英寸光电倍增管，每支价格为3000美元。买家别无选择，只能下订单，因为它是全球唯一的。
当时，日本“超级神冈中微子实验”向国内企业订购了11000多支这种大尺寸光电倍增管。仅光电倍增管的成本就超过3000万美元（按当时的汇率计算已超过2亿元人民币）。
20英寸的光电倍增管看上去并不起眼，看上去就像一个灯泡。虽然价格昂贵，但是物有所值。
科学家的中微子实验与其密不可分。从“神冈实验”到“超级神冈实验”，光电倍增管“帮助”日本人两次获得诺贝尔物理学奖，其中一项是大芝正敏在2002年因发现超新星中微子而获奖。另一次是2015年，梶田贵明等人因发现中微子振荡而获奖。
中国科学家于2015年开始建造的“江门中微子实验”大型科学装置需要使用2万个20英寸光电倍增管。如果都是从日本公司采购的话，这将是一笔非常大的开支。
如何降低实验成本，
花小钱办大事怎么样？
大尺寸光电倍增管“制造”比“购买”更好！
因此，在江门中微子实验开始之前，中科院高能物理研究所的科学家们早早就做好了充分的准备。
中国科学家在实验室成功研制出20英寸光电倍增管。
来源：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、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、中核控制系统有限公司牵头，与南京大学组成合作组，集体攻关，攻克高量子效率光难题，解决了阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳、真空光电器件封装技术等多项技术难点，最终研制出样机管，其量子效率、收集效率、单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际先进水平。 。
这一成果突破了20英寸光电倍增管的制造技术。新型光电倍增管国产化，拥有完全自主知识产权。极大提升了国内企业在超大型电真空器件方面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军与光电倍增管合影。来源：曹军
北方夜视公司建立了专门生产大尺寸光电倍增管的生产线。这些20英寸光电倍增管不仅可以用于江门中微子实验，还可以用于测量微弱的光信号。例如，四川高空宇宙线观测站也采用北方夜视公司生产的20英寸光电倍增管来探测宇宙线。
我们的大尺寸光电倍增管是目前全球光子探测效率最高的光电倍增管，打破了该领域的国际垄断，并获得欧盟、美国、日本等专利授权，这是一次成功的科学界与产业界跨界合作，通过大科学装置推动产业技术进步的范例。期待未来有更多这样的成果！
参考
[1]光电倍增管的发明：
[2]光电倍增管的应用：
[3] 曹军: 中微子研究的历史与未来, 现代物理知识 2015, 27(6): 4-8.
[4]光电倍增管制造技术的突破：
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作者丨年勤博士物理学博士
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