探索微觀粒子的“放大鏡”不再受制于人

——我自主研制光電倍增管成功用于多項大科學(xué)工程

把“命門”掌握在自己手中

　　四川稻城海子山，平均海拔4410米。過去人跡罕至的地方，一個方圓1.36平方公里的探測陣列正在加緊安裝，近萬個探測器將一探世紀(jì)之謎——高能宇宙線起源。

　　6月19日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)，進(jìn)入集中安裝階段。我國自主研制的2270只高時間分辨率的光電倍增管將在該系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　與此同時，千里之外的江門中微子測試基地也迎來了10000只國產(chǎn)20英寸微通道板型光電倍增管，其探測效率均值達(dá)到30%以上，成功超越國外同類產(chǎn)品水平。

　　光電倍增管是高能物理實驗的關(guān)鍵通用部件，被稱作中微子實驗中技術(shù)含量最高、最關(guān)鍵的器件之一。目前，我國已打破國際同行的壟斷，成功研制出世界一流的高性能20英寸微通道板型光電倍增管，解決了我國大科學(xué)工程的“卡脖子”問題，推動真空光電探測器件產(chǎn)業(yè)的自主可控高質(zhì)量發(fā)展。

險些化為泡影的大科學(xué)工程

　　廣東江門開平市，地下700米深處。

　　這里正在建設(shè)一座巨型地下中微子探測實驗室，宛如科幻大片中的未來世界：一個直徑35米球形的探測器，內(nèi)部是2萬噸透明的液體閃爍體，外部直徑為40米的鋼結(jié)構(gòu)上裝有20000只20英寸和25000只3英寸光電倍增管，上述構(gòu)成的探測器浸沒在直徑為43米的圓柱體內(nèi)。

　　當(dāng)中微子進(jìn)入球形探測器，在線性烷基苯為主的液體閃爍體中，就會以極小的概率發(fā)生β衰變，發(fā)出極其微弱的光。而球形探測器外部的光電倍增器就像“放大鏡”，及時捕捉到微弱的光并轉(zhuǎn)化為電信號放大輸出，才能探測到幽靈般中微子的行蹤。

　　中微子是個神秘莫測的家伙。最早，人類認(rèn)為構(gòu)成物質(zhì)世界的最小單位是原子。到20世紀(jì)初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，原子是由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成。現(xiàn)在，人們又知道，更小的基本粒子是夸克和輕子。中微子就屬于輕子。

　　十幾年前，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳有了一個大膽的想法，采用國產(chǎn)20英寸光電倍增管建設(shè)江門中微子實驗基地，并提出了新型光電倍增管的專利設(shè)計方案。

　　但是，實現(xiàn)這個想法似乎比研究中微子更加困難。當(dāng)時，國內(nèi)僅能生產(chǎn)2英寸以下小尺寸光電倍增管，成本上不可接受，性能上也距要求甚遠(yuǎn)。

　　“日本濱松公司壟斷了全球90%以上的光電倍增管市場份額，高端產(chǎn)品對國內(nèi)完全技術(shù)封鎖。”北方夜視技術(shù)股份有限公司南京分公司總經(jīng)理孫建寧無奈地說道。

　　如果國內(nèi)不能生產(chǎn)大尺寸、高性能光電倍增管，一切都將受制于人。

“門外漢”另辟蹊徑實現(xiàn)反超

　　2007年，我國在大亞灣建設(shè)中微子實驗室。所用到的2000多只8英寸光電倍增管，全部由美國合作者從濱松公司購買。

　　與之相比，上世紀(jì)80年代，日本神岡中微子實驗室采用的是濱松公司20英寸光電倍增管。該實驗室投入使用以來，誕生了兩項諾貝爾物理學(xué)獎。

　　工欲善其事，必先利其器。20英寸光電倍增管成為我國大科學(xué)工程必須攻克的堡壘。

　　2011年，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，北方夜視技術(shù)股份有限公司、中科院西安光學(xué)精密機械研究所、中核控制系統(tǒng)股份有限公司和南京大學(xué)等組成大尺寸微通道板型光電倍增管產(chǎn)學(xué)研合作組。

　　經(jīng)過4年攻關(guān)，成功研制出適用于大科學(xué)工程裝置中微子探測用20英寸高性能微通道板型光電倍增管。該產(chǎn)品綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中部分指標(biāo)超過國際同行。

　　“提高光電倍增管的探測效率是最核心的技術(shù)之一，它包括量子效率和收集效率兩個因素。相比日本目前采用的傳統(tǒng)金屬打拿極型光電倍增管倍增方式，我們采用微通道板作為電子倍增系統(tǒng)來實現(xiàn)電子放大，電子收集效率達(dá)到98%以上，從而保證在量子效率基本相當(dāng)?shù)那闆r下，探測效率超越日本同類產(chǎn)品。”孫建寧介紹，他們還研制了世界上最大的高真空轉(zhuǎn)移設(shè)備，還研究了一系列提高產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的新技術(shù)，諸如低放射性本底技術(shù)，高增益、長壽命等。

“升級版”光電倍增管已問世

　　不同于研究中微子，海子山上的LHAASO觀測站，瞄向的是宇宙線起源。

　　宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化等宏觀信息，是傳遞“宇宙大事件”的信使。自1912年宇宙線被發(fā)現(xiàn)以來，人類始終沒有發(fā)現(xiàn)它的起源，成為“世紀(jì)之謎”。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員高博介紹說，LHAASO觀測站中央是一個“大水池”——包含3000個探測單元的切倫科夫探測器。高時間分辨率的光電倍增管要對單光子級別的光信號進(jìn)行研究，捕捉進(jìn)入水池上空大氣的每一個高能伽馬射線的蹤跡，從而研究高能宇宙線的產(chǎn)生機制。

　　2018年6月，我國自主研制的高時間分辨率20英寸微通道板型光電倍增管正式誕生，其具有渡越時間離散小、時間一致性好、暗噪聲小等特點。2018年9月，北方夜視技術(shù)股份有限公司成功中標(biāo)LHAASO項目大尺寸光電倍增管全部訂單。

　　“在20英寸微通道板型光電倍增管的技術(shù)基礎(chǔ)上，我們根據(jù)天體探測，也就是LHAASO項目的需求，研制出了高時間分辨率的光電倍增管。”孫建寧介紹，時間分辨率是對光信號到達(dá)光電倍增管時間的測量精度，時間分辨率越高，就能對伽馬射線的方向測量越精確。

　　本報記者 張 曄 實習(xí)生 呂 迪