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高能物理应用PMT技术究竟有多难

导读: 宇宙大尺度观测已经到130亿光年,小尺度观测已经到千万万亿分之一厘米,但是我们既没有看到“边”,也没有寻到“头”,可见宇宙在大小两方向的延伸都是无限的[1]。高能物理的研究便是不断探索宇宙的“头”,研究比原子核更深层次的微观物质的结构性质,以及其在很高能量下相互转化的现象、原因和规律。

  宇宙大尺度观测已经到130亿光年,小尺度观测已经到千万万亿分之一厘米,但是我们既没有看到“边”,也没有寻到“头”,可见宇宙在大小两方向的延伸都是无限的[1]。高能物理的研究便是不断探索宇宙的“头”,研究比原子核更深层次的微观物质的结构性质,以及其在很高能量下相互转化的现象、原因和规律。

  随着物理学的不断发展,人类对“基本粒子”的定义也随之发生变化,质子、中子、电子、μ介子已不是构成物质的最小单元,研究逐步聚焦在尺度小于10-16cm的粒子上,研究手段也从宇宙线观测逐步发展到以粒子加速器和大型探测器为主的大科学装置上[1]。其中,光电倍增管(photomultiplier tube,简称PMT)在探测方面起到了举足轻重的作用,而高能物理的应用也对PMT提出了极为苛刻的性能要求。

  脉冲线性

  高能物理应用中探测的光极其微弱,其除对灵敏度有较高要求外,还需要PMT具有极高的脉冲线性,以便在探测极微弱信号的同时,不至于丢失偶尔出现的较强信号。常规应用的PMT在±2%偏差时脉冲线性一般为20~40mA,而高能物理探测时,同等偏差情况下,需要脉冲线性达到100mA以上。

  探测面积

  中微子是构成物质的基本粒子,它在微观物理粒子规律和宏观宇宙演化中都有着重要的地位,其质量非常小,不带电。太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子,其只参与非常微弱的弱相互作用,具有最强的穿透力,α射线用一张纸就能挡住;β射线γ射线用一定厚度的铅能挡住;而中微子即使是穿过几光年厚的铅也照样通行无阻。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测非常困难。正因为如此,在所有的基本粒子中,人们对中微子了解最晚,也最少。中微子的探测器必须足够大,通过足够长的取数时间(几年),才可能能观测到足够数量的中微子。

  此外,探测器需要设置在很深的地下,这样可有效过滤其它高能粒子的干扰;同时需要巨型试验水池,接近光速的中微子中会有极少数能在水中产生契伦科夫辐射,发出微弱的从紫外到蓝色波段的光,用PMT能够探测到。因此,在保证PMT常规性能的提前下,需要增大探测面积以提高探测效率,如φ204mm、φ508mm。尺寸增大的同时还必须保证外壳能够承受装载数万吨纯水的压力,并在此环境下长期稳定工作。

  背景光影响

  高能物理探测中信号有时会受背景光的影响,在无法完全阻挡此背景光的情况下,需要从探测端采取措施将此影响降到最低,这对PMT本身提出了苛刻要求,即要求PMT在有无背景光时只有极低的输出变化率(至少10%以下)。此项性能需求,与我们对PMT常规参数及性能的认知完全不同。

  通常提及PMT性能均围绕灵敏度、暗电流(暗计数率)、工作温度等展开,而背景光的影响性能在几十年的PMT开发经验中是空白的,这样的应用要求如何与PMT本身特性对应、从哪入手查找关系、怎么解决等,也是高能物理用对PMT开发生产提出的新挑战。

  温度系数

  与普通的电子器件(电阻、电容等)相比,PMT更容易受周围温度的影响。因此,在高精度测试过程中,PMT必须使用温控技术和比较测光法等手段,将周围温度变化对PMT的影响降到最小。但高能物理应用中,测试环境比较特殊,且不便从外围控制,有些测试环境甚至会有几十摄氏度的温差变化,这对PMT的温度效应提出了考验,要求温度系数低于0.1%/℃,而常规PMT温度系数在0.3%/℃甚至更高,这0.2个百分点的差异,对PMT制造的挑战是巨大的,对PMT性能而言也是质的提升。

  除了以上要求外,在时间特性、后脉冲、暗计数率等方面,高能物理应用对PMT的要求也是十分严格要求。

  北京滨松公司推出了多款可应用在高能物理中的PMT产品,期待它们为中国乃至世界的高能物理研究做出一份贡献。

  北京滨松高能物理用PMT

  型号特点

  CR364φ25mm高线性、背景光影响小

  CR110-Q1φ28mm高量子效率

  CR285-01φ38mm低温度系数

  CR226φ51mm快时间响应

  CR365φ204mm大探测面积

  [1] 《粒子物理》,中国科学院高能物理研究所。

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