江门中微子实验中心探测器位于广东江门地下 700 米深处，其核心是一个直径 35.4 米的世界最大单体有机玻璃球。这个巨大的 “玻璃球” 内部布满了看似普通实则科技含量极高的光电倍增管（PMT），它们是捕获中微子的关键所在。

在这个宛如神秘世界的玻璃球内，光电倍增管就像敏锐的 “眼睛”。这些光电倍增管总数达 45000 只，其中包括 20000 个 20 英寸和 25000 个 3 英寸的光电倍增管，共同构成了一个高灵敏度的 “天罗地网”。当中微子穿过探测器时，只有极少数会与球体内的液体闪烁体（液闪）发生反应，产生微弱的光子。而这些光子就是被光电倍增管捕捉的对象。

光电倍增管的工作原理十分精妙。它将光信号转换为电信号，首先，当中微子与液闪反应产生的光子被光电倍增管探测到后，通过光电效应转化成电子。随后，这些电子在倍增电场的作用下发生二次电子发射，经过多次这样的倍增放大过程，最终输出可测量的电信号。

为了保证实验的安全和准确性，每一支光电倍增管都加装了保护装置。因为这些光电倍增管不仅需要具备高光子探测效率，还得能够在 44 米深的水池中长期工作而不发生内爆。此外，为了排除非中微子的信号干扰，江门中微子实验还采用了反符合探测器和超纯水作为屏蔽层，以此减少宇宙线和其他射线的干扰。通过这些精密设计和高新技术应用，江门中微子实验能够精确测量中微子的质量顺序和其他重要参数，为理解宇宙的基本物理过程提供关键数据。

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光电倍增管：神奇的光探测器件

（一）光电倍增管的广泛应用与基本组成

光电倍增管（PMT）是光子计数器件中的重要产品，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。它在众多领域都有广泛应用，比如光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中都能见到它的身影。

光电倍增管是一种真空器件，由光电发射阴极（光阴极）、聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子，这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大，最后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。

（二）光电倍增管的工作方式

光电倍增管有不同的工作方式，包括直流工作方式和脉冲工作方式。直流工作方式适用于长时间或重复性测量弱光事件；脉冲工作方式则适用于短时间或一次性测量弱光事件。当要将光电倍增管用在时间过程快、光强变化大且是单次发生的冲击事件等的测量中时，必须使其工作在脉冲状态下，这样可以提高光电倍增管的动态范围，并通过一定措施增大信号幅度。

从结构上看，电子光学聚焦系统中聚焦级 D + 阴极 K 将光电阴极发射的电子汇聚成束并通过膜孔打到第一倍增极。在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些二次电子在电场作用下达到第二倍增极，又引起更多的二次电子发射，此过程一直持续到 D10，最后经倍增的光电子被阳极收集而输出光电流，在负载 RL 上形成电压 V0。在阴极结构方面，阴极表面电位分布均匀（因额外有球面形光电阴极 + 圆筒形电极），而且从不同方向（阴极中心和边缘）发射的电子轨迹长度相差很小，花费的时间几乎相等。阳极常常采用栅网状结构。

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中微子：神秘的 “幽灵粒子” 与探测难题

（一）中微子的特性与无处不在

在粒子物理学标准模型中，中微子是构成物质世界的基本粒子之一。中微子最显著的特点是几乎不与物质相互作用，穿透能力极强，因此科学家要在实验中探测中微子非常困难。然而，中微子在我们的生活中却无处不在，每秒钟就有 3 亿亿个太阳中微子穿过我们的身体，我们吃的香蕉也在不断地产生中微子，甚至人体本身也会通过 “钾 40” 的衰变不断产生中微子。但由于其超强的穿透能力，中微子可以毫无阻碍地穿过人体、地球和太阳，就像 “幽灵” 一样，这也让它获得了 “幽灵粒子” 的名号。

（二）间接探测中微子的方法

虽然中微子本身不能被直接探测，但当大量中微子穿过探测器时，极少部分中微子有概率会被探测器的工作物质捕获，发生反应生成可观测的光子，这些光子再由光电倍增管收集放大，从而间接实现对中微子的观测。不过，探测中微子的难度极大，现代的大型中微子实验往往规模巨大，需要大量的工作物质 “守株待兔”。以江门中微子实验为例，2 万吨液体闪烁体每天只能探测到 60 个反应堆中微子、4 个大气中微子、1 个地球中微子，以及 90 个 “硼 8” 太阳中微子，而作为本底的宇宙线则有 10 万个，这还是在将探测器放到地下 700 米、宇宙线流强降低了 20 万倍后的结果。

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江门中微子实验中的光电倍增管国产化之路

中微子的探测离不开光电倍增管，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，有助于科学家找到微弱的中微子信号。在国际市场上，日本一家公司曾在大尺寸光电倍增管制造领域占据垄断地位，尤其是 20 英寸的光电倍增管，价格高昂，一个就要 3000 美元。像日本的 “超级神冈中微子实验” 订购 11000 多个这样的大尺寸光电倍增管，光电倍增管一项的花销就超过两亿人民币。

不过，对于中国科学家开展的江门中微子实验来说，需要 20000 个 20 英寸的光电倍增管，如果全部购买日本产品，成本将非常高。于是，在江门中微子实验动工之前，中国科学院高能物理研究所牵头，联合中国兵器工业集团北方夜视、中国科学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合作组集体攻关。

他们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，最终研制出量子效率、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。这一成果突破了 20 英寸光电倍增管的制造技术，新型光电倍增管实现国产化，拥有完全的自主知识产权，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。北方夜视公司还建立了专门生产线用于生产大尺寸光电倍增管，这些 20 英寸光电倍增管不仅可用于江门中微子实验，在其他如四川的高海拔宇宙线观测站 LHAASO 探测宇宙射线等测量微弱光信号的情况中也能发挥作用。我国的大尺寸光电倍增管达到了国际最高光子探测效率，打破了国际垄断，并获得欧盟、美国、日本等的专利授权，这是科学界与工业界跨界合作、通过大科学装置推动工业技术进步的成功典范，也为未来更多类似成果的出现奠定了良好的基础。