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在央视新闻拍摄的照片中ღ★✿★✿,最吸引眼球的是大玻璃球内部布满了一颗颗的小灯泡ღ★✿★✿,这些看起来平平无奇的小灯泡有什么用呢?
光电倍增管粗看起来和我们平时在商店里常见的灯泡很像ღ★✿★✿,但国际售价却要 3000 美元一个ღ★✿★✿!它实际上不是灯泡ღ★✿★✿,而是 20 英寸的光电倍增管ღ★✿★✿,科技含量满满ღ★✿★✿!
简单来说ღ★✿★✿,它可以把入射的光子通过光电效应转化成电子ღ★✿★✿,少数的电子在倍增电场的作用下发生二次电子发射ღ★✿★✿,可以倍增放大获得更多的电子幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿,放大后的这些电子通过阳极收集后输出[1]ღ★✿★✿。
入射光子打到阴极发生光电效应产生电子ღ★✿★✿,电子在倍增电场的作用下不断飞向倍增极产生二次电子ღ★✿★✿,经过多次倍增把信号放大ღ★✿★✿。图源ღ★✿★✿:维基百科
想象一下ღ★✿★✿,在乌黑的环境中幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿,你的眼睛什么都看不到ღ★✿★✿,神奇的光电倍增管却是火眼金睛ღ★✿★✿,它能灵敏ღ★✿★✿、快速地捕捉到那些极微弱的光信号ღ★✿★✿,将其转换成更强的电信号ღ★✿★✿,帮助你准确地看到这些极微弱的光信号ღ★✿★✿。
正因为它独特的高灵敏度ღ★✿★✿、高响应速度等优点ღ★✿★✿,光电倍增管在空间技术ღ★✿★✿、考古ღ★✿★✿、医学ღ★✿★✿、地质学ღ★✿★✿、生物学ღ★✿★✿、天文学ღ★✿★✿、冶金ღ★✿★✿、化学ღ★✿★✿、农业和军事等领域都有广泛的应用ღ★✿★✿,被用于光子计数澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿、弱光探测澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿、化学发光ღ★✿★✿、生物发光ღ★✿★✿、宇宙射线探测器ღ★✿★✿、分光光度计ღ★✿★✿、色度计ღ★✿★✿、生化分析仪等设备[2]ღ★✿★✿。
在解释世界万物构成的粒子物理学标准模型中ღ★✿★✿,中微子是构成我们这个物质世界的基本粒子之一ღ★✿★✿。中微子最显著的特点就是几乎不与物质相互作用ღ★✿★✿,穿透能力非常强ღ★✿★✿,科学家要在实验中探测中微子也非常困难ღ★✿★✿。
你可能觉得中微子应该很稀少ღ★✿★✿,然而ღ★✿★✿,事实是我们生活中的中微子其实非常多ღ★✿★✿,几乎无处不在ღ★✿★✿,每秒钟就有 3 亿亿个太阳中微子穿过你的身体澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿,你吃的香蕉也在不断地产生中微子ღ★✿★✿,甚至人体本身也通过钾 40 的衰变不断产生中微子ღ★✿★✿。
因为这些中微子穿透能力非常强ღ★✿★✿,几乎可以毫无阻碍地穿过人体澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿,甚至可以穿过地球和太阳ღ★✿★✿,这极强的穿透能力让中微子来去无踪ღ★✿★✿,难以捕捉ღ★✿★✿,也让中微子获得了幽灵粒子的名号ღ★✿★✿。
科学家希望通过中微子实验来探测这种粒子幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿。虽然中微子本身不能被直接探测ღ★✿★✿,但大量中微子穿过探测器时ღ★✿★✿,极少的一部分中微子有概率会被探测器的工作物质捕获幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿,发生反应生成可观测的光子幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿,这些光子再由光电倍增管收集放大澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿,相当于间接看到了中微子ღ★✿★✿。
探测中微子非常困难ღ★✿★✿,现代的大型中微子实验动辄上万吨ღ★✿★✿,让大量的工作物质守株待兔ღ★✿★✿,一大批中微子中ღ★✿★✿,只有某几个能被探测器幸运地捕获ღ★✿★✿。以江门中微子实验为例ღ★✿★✿,2 万吨液体闪烁体每天只能探测到 60 个反应堆中微子ღ★✿★✿、4 个大气中微子澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿、1 个地球中微子幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿,以及 90 个硼 8太阳中微子ღ★✿★✿。与之相比ღ★✿★✿,作为本底的宇宙线 万个ღ★✿★✿,这还是将探测器放到地下 700 米ღ★✿★✿、宇宙线]ღ★✿★✿。
中微子的探测离不开光电倍增管ღ★✿★✿,特别是大尺寸的光电倍增管可以实现更高的光子探测效率ღ★✿★✿,帮助科学家找到微弱的中微子信号ღ★✿★✿。
在国际市场上ღ★✿★✿,日本一家公司生产的光电倍增管(特别是大尺寸的光电倍增管)在行业制造领域ღ★✿★✿,可谓独步天下ღ★✿★✿。在 2016 年之前ღ★✿★✿,全世界只有日本公司有能力生产世界最大的 20 英寸光电倍增管ღ★✿★✿,一口价 3000 美元一个ღ★✿★✿,买家只能硬着头皮下单ღ★✿★✿,因为全世界独此一家ღ★✿★✿。
当年日本的超级神冈中微子实验ღ★✿★✿,向本国公司订购了 11000 多个这样的大尺寸光电倍增管ღ★✿★✿,仅仅是光电倍增管一项的花销ღ★✿★✿,就花了三千多万美元(按当时汇率ღ★✿★✿,已经超过两亿人民币)ღ★✿★✿。
科学家的中微子实验离不开它ღ★✿★✿,从神冈实验到超级神冈实验ღ★✿★✿,光电倍增管帮助日本人获得了两次诺贝尔物理学奖ღ★✿★✿,一次是 2002 年小柴昌俊因发现超新星中微子获奖ღ★✿★✿,还有一次是 2015 年梶田隆章等人因发现中微子振荡获奖ღ★✿★✿。
中国科学家 2015 年着手建造的江门中微子实验大科学装置ღ★✿★✿,需要使用 20000 个 20 英寸的光电倍增管ღ★✿★✿,如果全部向日本公司购买ღ★✿★✿,这将是一笔非常大的开销ღ★✿★✿。
由中国科学院高能物理研究所牵头澳门太阳集团网站入口澳门太阳集团网站入口ღ★✿★✿,中国兵器工业集团北方夜视ღ★✿★✿、中国科学院西安光学精密机械研究所ღ★✿★✿、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成合作组集体攻关ღ★✿★✿,攻克了高量子效率的光阴极制备技术ღ★✿★✿、微通道板ღ★✿★✿、大尺寸玻壳ღ★✿★✿,以及真空光电子器件封装技术等多个技术难点ღ★✿★✿,最终研制出量子效率ღ★✿★✿、收集效率和单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际先进水平的样管ღ★✿★✿。
这一成果突破了 20 英寸光电倍增管的制造技术ღ★✿★✿,新型光电倍增管实现国产化ღ★✿★✿,拥有完全的自主知识产权幸福宝APP在线下载安装ღ★✿★✿,大幅提升了国内企业在超大型电真空器件的创新能力和国际竞争力[4]ღ★✿★✿。
北方夜视公司建立了用于生产大尺寸光电倍增管的专门生产线 英寸光电倍增管不仅可以用于江门中微子实验ღ★✿★✿,还可用于测量微弱光信号等情况ღ★✿★✿。例如ღ★✿★✿,位于四川的高海拔宇宙线观测站 LHAASOღ★✿★✿,也使用了北方夜视生产的 20 英寸光电倍增管ღ★✿★✿,用于探测宇宙射线ღ★✿★✿。
我们的大尺寸光电倍增管是国际最高光子探测效率的光电倍增管ღ★✿★✿,打破了该领域的国际垄断ღ★✿★✿,并获得欧盟ღ★✿★✿、美国ღ★✿★✿、日本等的专利授权ღ★✿★✿。这是科学界与工业界跨界合作ღ★✿★✿,通过大科学装置推动工业技术进步的成功典范ღ★✿★✿。期待未来出现更多这样的成果ღ★✿★✿!
