中国“猎眼”诞生记

2018-02-01 高能所 中国物理学会期刊网

转载自“中科院高能所”微信公众号

中微子被称为幽灵粒子，是由于它看不见摸不着，只参与弱相互作用，极难探测。即便它是与液体闪烁体相互作用也只产生很少的光子，以至于它的光信号极为微弱难以捕捉。

要捕捉到它靠的是大面积极弱光探测技术，目前唯一可行的就是光电倍增管技术，被称为科学家捕捉光信号的“猎眼”。光电倍增管（简称PMT）是一种比较通用的电真空器件，但对中微子探测来说，国际上只有欧洲和日本的2-3家公司可以提供产品。这是因为对探测中微子来说，光电倍增管的灵敏度要达到单个光子。而为了降低造价，需要大面积的光电倍增管，国际上只有日本的滨松光子株式会社（简称滨松公司）能够生产。

1、决心研制中国“猎眼”

“大亚湾中微子实验”是我国科学家主导的第一个大型中微子实验。该实验装置的中心探测器是一个直径5米、高5米，内装总重110吨液体闪烁体的圆桶，内壁四周安装了大量的光电倍增管。中微子在探测器内发生反应后就会激发液体闪烁体，产生微弱的闪烁光。光电倍增管将这些闪烁光通过光电效应转换成电信号，可以探测到幽灵般中微子的行踪。

到2008年年中，大亚湾中微子实验已取得了可喜的进展，但首席科学家王贻芳却心存遗憾。当时国内能够生产的光电倍增管，口径小，灵敏度不高，批量稳定性差，远远达不到实验要求。大亚湾实验所用的3000支8吋口径的光电倍增管是合作单位从日本滨松采购的，这个公司当时几乎垄断了国际上高端光电倍增管的生产。

▲ 大亚湾中微子实验的中心探测器

此时，中国中微子研究的中长期发展规划正在酝酿，已经有了“中微子二期实验”的设想，但面临一个核心问题——国际上现有的光电探测器件（包括滨松公司的产品）不能满足新实验的要求。为此，研制高性能的光电倍增管成为了实验成功的关键。王贻芳决心要尽快启动中国“猎眼”的研制，满足实验要求，并打破垄断，降低造价，争得主动权。

2、独辟蹊径，提出“微通道板”创意

2009年，美国华盛顿大学物理系教授赵天池向王贻芳介绍了国外一个研制200毫米x200毫米大面积微通道板探测器的项目，这启发了王贻芳的灵感：研制200毫米x200毫米的大面积微通道板在技术上存在诸多难点，但是否可以将较大面积（约50毫米x50毫米）的微通道板（简称MCP）用于大口径光电倍增管中的电信号放大呢？其好处是收集效率高，有可能得到更多的光子。

王贻芳与几位同事勾画了一个设计概念图，其思路完全不同于国际上通行了几十年的基于“打拿极”放大技术的光电倍增管结构。

▲ 左图：20吋大面积PMT，常规打拿极结构。下半球的光子被挡住，无法被探测到。

▲ 右图：高能所设计的MCP-PMT。下半球的光子可以被探测到。

打拿极光电倍增管采用多个电子倍增极结构，光电子逐级倍增放大如同一个雪崩过程，最后大量的电子被阳极收集，产生一个较强的电脉冲。

微通道板放大有一点类似，每块板上有上百万个微小通道，电子在与微通道的壁碰撞实现倍增放大，相当于连续倍增的电子倍增器，具有极高的空间和时间分辨率。

▲ 打拿极光电倍增管原理图（图片来自网络）

▲ 微通道板电子倍增原理图（图片来自网络）

这个创意的确大胆，但从原理上说应该可行。20世纪70、80年代开始，国外有过用微通道板作为光电倍增管倍增极的报道，国内也有单位早年进行过研制，但都是口径非常小的管子，且从未实现过单光电子探测，也无电场聚焦等关键步骤。如今，要研制大面积的微通道板作为倍增极的光电倍增管，等于从零起步，技术难度无法估量。

考虑到这一技术思路完全不同于传统方法，在研制工作真正开始前， 2009年6月，高能所正式向国家知识产权局递交了“一种光电倍增管”的发明专利的申请书。同时，也申请了美国、俄罗斯、日本和欧洲专利局等国家的发明专利。

3、创新合作模式，产学研攻关

2009年，在高能所少量创新基金的支持下，王贻芳的课题组与某合作单位签订了三年期的合同，具体由赵天池、钱森组织开展研发，目标是三年内研制出5吋直径的新型光电倍增管样管。但合作中双方在具体技术方案及工艺方面一直无法达成共识，在多种因素的影响下，进展十分缓慢，样管的电子放大倍数达不到设计要求，量子效率低，且本底噪声很大，测不出单光电子。

此后，高能所又陆续与国内一些制作电真空器件水平较高的单位进行了探讨，并达成了合作意向。国内微通道板技术领域的专家刘术林此时也正式加盟高能所，从事这项研发工作。2011年9月21日，高能所提议的“新型微通道板光电倍增管学术研讨会”在昆明召开。与会的中国兵器北方夜视技术股份有限公司、西安光机所、北京核仪器厂等国内有关研究、生产的单位代表达成共识：为我国大科学工程——中微子二期工程而展开预研的新型微通道板光电倍增管项目，原理设计可行，研制计划明确，两年来的前期研究工作取得了一定成果，但仍然面临诸多困难，需要相关单位的密切配合与支持，集全国的优势力量才有可能研制成功。

研讨会上，王贻芳提出依据国际高能物理合作的模式成立研制合作组，并提出了合作组章程和保密协议，得到了相关单位的积极响应。该模式是将研发项目划分为多个研究专题，参加单位根据自身研发和生产优势，承担其中的几个专题任务进行攻关。参加单位对研究专题的承担可以有交叉和重复，但不能有漏项。合作组定期召开例会，汇报及讨论项目研究进展。章程还规定将来按贡献由大家商量或投票确定收益的比例，以鼓励大家积极努力。

合作组按照章程规范成员之间的合作交流，目标为：各单位发挥自己的优势，完成8吋、20吋新型光电倍增管样管研制，为工业化量产奠定基础；在国家相关部门的支持下，完成大面积基于微通道板型光电倍增管产业化布局，为江门中微子实验的立项提供工业支持；通过新型光电倍增管的研制和产业化，提升国内光电倍增管研究、生产领域的技术水平。

▲ 微通道板型大面积光电倍增管研制合作组第一次会议

2011年底，由高能所牵头，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单位组成的合作组正式成立，新型光电倍增管的预研正式启动。

4、从8吋到20吋

合作组成立后运转有效，研制8吋管的合作攻关逐渐进入了状态，经过一年多的努力，终于研制出第一个能测出单光子信号的8吋样管。通过不断加深的物理模拟和试验探索，并结合国内行业多年来的经验教训，2013年，合作组攻克了第一个堡垒：样管的光电转换量子效率。这是一个极为考验工艺水平的难题，对环境、设备、人员均有很高的要求，极难重复。国际上自上世纪50年代起，经过60多年的努力，最好水平也只从~20%提高到~30%。北方夜视的技术人员经过艰苦探索，并广泛汲取国内外的经验，在初步达到20%的基础上，又经过几年的努力，探索新的技术，量子效率逐渐提高，最高达30%，为获得高质量的光电倍增管奠定了基础。

▲ 2013年第一支可测试8吋MCP-PMT在高能所进行测试

8吋样管研制成功后，积累了一些经验，合作组决定转向20吋样管的研制。从8吋到20吋，并不是单纯加大直径的问题，从技术层面看，需要全新的技术，难点极多。比如量子效率对大面积就要难的多，特别是要保持全面积都是很高的量子效率更是难上加难。另一个难点是大玻壳的研制。

大面积光电倍增管的玻壳每个重8公斤，只能人工吹制，成型、质量控制等均很难，技术工人也很稀缺。这个玻壳还要满足苛刻的工作条件，包括高压、高纯水浸泡、极低放射性本底等。因此一般的玻璃不能满足要求，必须采用特殊的高硬度无钾玻璃配方。而国内的相关企业对这类电真空玻璃器件的加工，从材料的甄选、成分组成及配比、外形的制作等均互相保密。

为解决这个棘手的问题，几位科研人员从北到南，几乎跑遍了半个中国，最终找到了愿意一起研制的企业，并克服重重困难，摸索出了新的生产工艺条件、配方、设备环境及工人操作规范，改变了工人的操作习惯，筛选出了放射性本底较低的原材料，终于生产出了可用的20吋玻壳。

有了大玻壳，还需用多级过渡封接将多种膨胀系数渐变的玻璃结合在一起。合作组决定同时进行两种方案的试制，以争取时间。在解决了材料的放射性本底之后，玻壳的多级过渡封接及最终与金属材料的封接终于取得了突破。

▲ 科研人员正在测试光电倍增管性能

在信号读出方面，最初制定的用两组微通道板收集电子的方案，因数据处理难度太大而放弃了。如何提高单组微通道板方案的电子收集效率成为一个重要的技术难点。在尝试了各种技术途径后，电子收集效率最高只有70%，而日本滨松公司的这一指标为92%。这个问题不解决，研制项目就会面临失败。通过合作组成员的深入研讨，采用全新的镀膜技术，结合电子学设计的进一步优化，最终使电子收集效率达到99.4%以上。此时，大家终于看到了胜利的曙光。

在整个光电倍增管的研制过程中，其实有过多次反复。最关键的，通过静电聚焦到较小尺寸的微通道板上的技术方案从一开始就有争议和怀疑，也有一些好心人的告诫。但王贻芳坚持认为，搞科研就是要创新，我们要努力做别人做不出来的东西。

▲ 高能所光电倍增管实验室

5、20吋微通道板型光电倍增管实现量产

短短几年，经过合作组成员们的艰苦攻关和密切合作交流，在无数次失败的基础上攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳以及真空光电子器件封装技术等多个技术难点，2015年8月，在规定的期限之前，终于研制出量子效率、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，并拥有完全自主知识产权，为进入工程化和批量生产打下了坚实的基础。

▲ 成功研发的20吋MCP-PMT

这一刻，高能所这些有着浓浓的中国情结的中微子猎手们，合作组内几十位参与研制的人们，眼睛全都湿润了，数年来经历的艰辛涌上了心头，在金光灿灿的成果面前，再多的付出也是值得的，中国终于有了自己的中微子“猎眼”。

▲ 江门中微子实验负责人、MCP-PMT研发负责人王贻芳与20吋MCP-PMT

▲ 高能所MCP-PMT研发团队骨干赵天池（中）、刘术林（右）、钱森（左）。他们身后摆放着的数十个结构和性能各异的光电倍增管，记录着研发的艰辛历程。

▲ 北方夜视MCP-PMT研发团队核心成员孙建宁、司曙光、李冬、王兴超、任玲。

20吋新型光电倍增管的研制成功，使中国兵器工业集团北方夜视技术股份有限公司在江门中微子实验光电倍增管采购的招标中，一举击败日本滨松公司等实力强大的竞争者成功中标，采购金额为2.7亿元人民币。2015年12月16日，“江门中微子实验20吋光电倍增管采购合同签约仪式”在高能所举行。

▲ 签约仪式现场，桌上摆放的就是20吋新型光电倍增管

2016年11月25日，年产7500支的20吋MCP-PMT生产线建成运行，正式进入批量生产阶段。北方夜视将为中科院战略性先导科技专项——江门中微子实验提供15000支该产品。大直径MCP-PMT的研制成功并进入批量生产，大大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。

6、中国“猎眼”走向国际

20吋MCP-PMT代表着当前光电倍增管的最高技术水平，中国对此拥有完全自主知识产权，并已获中、美、俄、日、欧盟专利。国内首条年产7500支20吋MCP-PMT的生产线建成并运行，打破了国外的技术垄断。

中国的这项技术创新也受到了国际同行的广泛关注与赞誉。2016年8月，20吋MCP-PMT在第38届国际高能物理大会上作了展示，国际上的相关实验组和商家纷纷表示了合作和采购的意愿。

▲ 中国20吋MCP-PMT在第38届国际高能物理大会上展示

为扩大影响，MCP-PMT合作组和国际核仪器电子学顶级企业CAEN合作，联合参展相关国际会议，2017年10月双方联合参展位于美国亚特兰大的IEEE-NNS国际会议。

▲ 中国20吋MCP-PMT在IEEE-NNS国际会议上展示

“中国猎眼”的诞生历程，充分显现了中国科学家的远见睿智。这个历程既有难以想象的艰辛，也有出人意料的传奇。能够取得这样的成绩，主要得益于王贻芳、赵天池、刘术林、钱森等数位骨干坚定不移的决心，得益于有效的合作机制，得益于合作组成员在缺少研制经费的困难情况下齐心合力，得益于这个团队成员们的无私奉献。短短几年，中国的科技工作者完成了从零起步的这个高难度大跨越项目，意义极其深远。

▲ 江门中微子实验探测器效果图

任重道远，江门中微子实验将在2020年启动光电倍增管的安装，那15000支金光闪闪的光电倍增管将逐个安装在江门中微子实验的直径达35.4米（相当于12层楼高）的有机玻璃球体四周，成为江门中微子实验的“眼睛”。

胜利在望，期待着“中国猎眼”助力我国科学家在中微子实验研究领域再登高峰。

参考资料

1、厉害了！中科院这些成果将改变我们未来生活，《中科院之声》

http://whb.cn/zhuzhan/kjwz/20180124/187545.html

2、捕捉中微子的高级别国产“猎眼”批量投产

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/11/361915.shtm

转载自“中科院高能所”微信公众号

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