编者按：为庆祝第七个“中国航天日”，4月13日，中国科学院高能物理研究所向中国科学院与“两弹一星”纪念馆定点捐赠三件珍贵的展品：GECAM卫星有效载荷结构件、20吋新型微通道板型光电倍增管和8吋光电倍增管。为了专业解读每件展品蕴含的科技含量，“两弹一星”纪念馆特邀中国科学院高能物理研究所学术委员会主任陈刚研究员撰写2篇科普文章，通过“航天点亮梦想”主题月活动之“科普分享”特别节目刊出，以飨读者。今天继续推出“科普分享”第二辑的第二篇：《光电倍增管》。

 

   开篇彩蛋

   中国科学院高能物理研究所向“两弹一星”纪念馆捐赠的20吋新型微通道板型光电倍增管（Mirco Channel Plate Photomultiplier Tube，MCP-PMT）和8吋光电倍增管，已于4月24日“中国航天日”当天在“两弹一星”纪念馆正式展出，国科大在校师生可以通过团队预约参观“两弹一星”纪念馆的方式，来馆零距离感受航天魅力。

 

 

   20吋新型微通道板型光电倍增管简介

   光电倍增管是一种真空管器件，它能使进入的微弱光信号转变成电信号并增强至原本的10⁶-10⁸倍，使光信号能被测量。该光电倍增管由中国科学院高能物理研究所牵头，北方夜视技术股份有限公司、中科院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等组成产学研合作组联合研发，用微通道板（MCP）代替打拿极结构（光电阴极photocathode，打拿极dynode和阳极Anode)，实现光电信号放大，因此称为新型大面积微通道板结构光电倍增管，简称MCP-PMT。20吋MCP-PMT具有自主知识产权，对单光子的平均探测效率达到30%，产品综合性能达到国际先进水平，其中部分指标超过国际同行，打破了光电倍增管的国外垄断。

   2016年8月，20吋新型光电倍增管在美国芝加哥召开的第38届国际高能物理大会上作了展示，这项中国拥有完全自主知识产权的技术创新受到了与会者的广泛关注与赞誉，国际上相关的实验组和商家纷纷表示了合作和采购的意愿。如日本HyperK中微子实验，美国和德国的THEIA中微子实验等科学实验，也需要研发并生产系列科学实验用光电倍增管。以真空器件为主，以市场应用需求为依托，突破从大尺寸到小尺寸全系列多品种结构设计技术，大力发展适用于国民经济不同领域特殊需求的高性能光电倍增管及军用系列光电倍增管，在提升科研能力的基础上走军民融合的产业化道路，打造国内领先、国际一流的光电倍增管产业链。

 

   20吋新型微通道板型光电倍增管应用

   高海拔宇宙线观测站LHAASO使用了2200个20吋MCP-PMT。下一代中微子实验-江门中微子实验将使用15000个。

   LHAASO位于四川省稻城县海子山，占地面积达1.36平方公里，是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置。它由电磁粒子探测器阵列（ED）、缪子探测器阵列（MD）、水切伦科夫探测器阵列（WCDA）和广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）四部分组成，光电倍增管在水切伦科夫探测器阵列中用于收集粒子穿过水时产生的切伦科夫光。LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。2021年5月17日，高海拔宇宙线观测站发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子，开启“超高能伽马天文学”时代。

 

 

   江门中微子实验JUNO是正在建设中的一个国际领先的中微子实验站，它由位于地下700米的地下洞室、大型的水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器等组成。液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光，从而被光敏器件（光电倍增管）探测到。江门中微子实验将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题：中微子质量顺序，精确测量中微子混合参数，并进行其它多项科学前沿研究，不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理、乃至地球物理做出重大贡献。JUNO预计于2023年建成并开始运行。

 

 

   8吋光电倍增管应用

   中国科学院高能物理研究所捐赠给“两弹一星”纪念馆的8吋光电倍增管是日本滨松公司生产的打拿极结构光电倍增管(Hamamatsu R5912),曾用于大亚湾中微子实验中心探测器，于2020年实验退役后从探测器上拆除。

   大亚湾中微子实验是一个研究中微子的多国粒子物理合作项目。参加该项目的研究人员来自中国大陆、香港、中国台湾、美国、捷克和俄罗斯。实验包括八个反中微子探测器，每个探测器包括20吨的液体闪烁剂，通过光电倍增管进行光信号收集。主要目标是利用核反应堆产生的电子反中微子来测定一个具有重大物理意义的参数——中微子混合角。大亚湾中微子实验发现一种新的中微子振荡，并以前所未有的精度，测得其振荡大小为0.092，误差为0.017，无振荡的可能性仅为千万分之一。这一重大发现对于研究物质本原和宇宙起源，理解宇宙中反物质消失之谜具有重要意义。

 

 

 

作者简介

 

 

   陈刚，研究员，中国科学院高能物理研究所学术委员会主任。

   1982年毕业于南京大学物理系。1986年至1989年在中国工程物理研究院攻读硕士。1991年至1994年在中科院高能所和瑞士联邦技术大学攻读博士。1995年至1996年在北京大学博士后流动站工作。1993年至今多次前往欧洲核子中心(CERN)参加合作研究工作。2004年被聘为高能物理所研究员。

   在中国工程物理研究院工作和学习期间，参与核物理与中子物理实验研究工作。在国际原子能机构支持下，负责中子在裂变材料中的倍增率实验研究工作。到高能所以后，参加L3实验，研究τ轻子物理，包括τ衰变分支比，极化不对称性等。1997年开始参加阿尔法磁谱仪(AMS)的研制和物理研究工作，负责AMS电磁量能器物理设计及性能测试研究。同时参与AMS物理软件的开发编写工作。 在从事粒子物理实验研究工作的同时，还负责高性能计算环境的研究工作。为高能所建立和维护物理计算环境。与CERN合作，在国内建立了高能物理网格计算环境LCG(LHC Computing Grid),并引入CASTOR海量数据存储管理系统以及其他软件环境。目前负责建立国内的大型高能物理数据网格中心。发表文章数十篇。