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2019-07-01 科技日报

四川稻城海子山,平均海拔4410米。过去人迹罕至的地方,一个方圆1.36平方公里的探测阵列正在加紧安装,近万个探测器将一探世纪之谜——高能宇宙线起源

  四川稻城海子山,平均海拔4410米。过去人迹罕至的地方,一个方圆1.36平方公里的探测阵列正在加紧安装,近万个探测器将一探世纪之谜——高能宇宙线起源。

  6月19日,国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站(LHAASO),进入集中安装阶段。我国自主研制的2270只高时间分辨率的光电倍增管将在该系统中发挥关键作用。

  与此同时,千里之外的江门中微子测试基地也迎来了10000只国产20英寸微通道板型光电倍增管,其探测效率均值达到30%以上,成功超越国外同类产品水平。

  光电倍增管是高能物理实验的关键通用部件,被称作中微子实验中技术含量最高、最关键的器件之一。目前,我国已打破国际同行的垄断,成功研制出世界一流的高性能20英寸微通道板型光电倍增管,解决了我国大科学工程的“卡脖子”问题,推动真空光电探测器件产业的自主可控高质量发展。

  险些化为泡影的大科学工程

  广东江门开平市,地下700米深处。

  这里正在建设一座巨型地下中微子探测实验室,宛如科幻大片中的未来世界:一个直径35米球形的探测器,内部是2万吨透明的液体闪烁体,外部直径为40米的钢结构上装有20000只20英寸和25000只3英寸光电倍增管,上述构成的探测器浸没在直径为43米的圆柱体内。

  当中微子进入球形探测器,在线性烷基苯为主的液体闪烁体中,就会以极小的概率发生β衰变,发出极其微弱的光。而球形探测器外部的光电倍增器就像“放大镜”,及时捕捉到微弱的光并转化为电信号放大输出,才能探测到幽灵般中微子的行踪。

  中微子是个神秘莫测的家伙。最早,人类认为构成物质世界的最小单位是原子。到20世纪初,科学家们发现,原子是由质子、中子和电子构成。现在,人们又知道,更小的基本粒子是夸克和轻子。中微子就属于轻子。

  十几年前,中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳有了一个大胆的想法,采用国产20英寸光电倍增管建设江门中微子实验基地,并提出了新型光电倍增管的专利设计方案。

  但是,实现这个想法似乎比研究中微子更加困难。当时,国内仅能生产2英寸以下小尺寸光电倍增管,成本上不可接受,性能上也距要求甚远。

  “日本滨松公司垄断了全球90%以上的光电倍增管市场份额,高端产品对国内完全技术封锁。”北方夜视技术股份有限公司南京分公司总经理孙建宁无奈地说道。

  如果国内不能生产大尺寸、高性能光电倍增管,一切都将受制于人。

  “门外汉”另辟蹊径实现反超

  2007年,我国在大亚湾建设中微子实验室。所用到的2000多只8英寸光电倍增管,全部由美国合作者从滨松公司购买。

  与之相比,上世纪80年代,日本神冈中微子实验室采用的是滨松公司20英寸光电倍增管。该实验室投入使用以来,诞生了两项诺贝尔物理学奖。

  工欲善其事,必先利其器。20英寸光电倍增管成为我国大科学工程必须攻克的堡垒。

  2011年,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大尺寸微通道板型光电倍增管产学研合作组。

  经过4年攻关,成功研制出适用于大科学工程装置中微子探测用20英寸高性能微通道板型光电倍增管。该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。

  “提高光电倍增管的探测效率是最核心的技术之一,它包括量子效率和收集效率两个因素。相比日本目前采用的传统金属打拿极型光电倍增管倍增方式,我们采用微通道板作为电子倍增系统来实现电子放大,电子收集效率达到98%以上,从而保证在量子效率基本相当的情况下,探测效率超越日本同类产品。”孙建宁介绍,他们还研制了世界上最大的高真空转移设备,还研究了一系列提高产品技术指标的新技术,诸如低放射性本底技术,高增益、长寿命等。

  “升级版”光电倍增管已问世

  不同于研究中微子,海子山上的LHAASO观测站,瞄向的是宇宙线起源。

  宇宙线携带着宇宙起源、天体演化等宏观信息,是传递“宇宙大事件”的信使。自1912年宇宙线被发现以来,人类始终没有发现它的起源,成为“世纪之谜”。

  中国科学院高能物理研究所副研究员高博介绍说,LHAASO观测站中央是一个“大水池”——包含3000个探测单元的切伦科夫探测器。高时间分辨率的光电倍增管要对单光子级别的光信号进行研究,捕捉进入水池上空大气的每一个高能伽马射线的踪迹,从而研究高能宇宙线的产生机制。

  2018年6月,我国自主研制的高时间分辨率20英寸微通道板型光电倍增管正式诞生,其具有渡越时间离散小、时间一致性好、暗噪声小等特点。2018年9月,北方夜视技术股份有限公司成功中标LHAASO项目大尺寸光电倍增管全部订单。

  “在20英寸微通道板型光电倍增管的技术基础上,我们根据天体探测,也就是LHAASO项目的需求,研制出了高时间分辨率的光电倍增管。”孙建宁介绍,时间分辨率是对光信号到达光电倍增管时间的测量精度,时间分辨率越高,就能对伽马射线的方向测量越精确。

  (原标题:探索微观粒子的“放大镜”不再受制于人——我自主研制光电倍增管成功用于多项大科学工程)

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