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中微子探测的一万只“眼睛”的故事

—— 想要看到中微子?那就得瞪大”眼睛“啦

导读: 小柴教授是当时日本探测质子衰变实验计划的核心人物。关于质子衰变,虽然对它的预言曾出现在大统一理论中,但还从未得到过确切的实验证明,而切实地将它证实就是小柴教授研究团队本次实验的目标。

  1979年的一天,滨松公司前任社长昼马辉夫出现在了东京大学理学部教授小柴昌俊的研究室。这次的会面,是为了小柴教授委托开发大口径光电倍增管(photomultiplier tube,简称PMT)一事。

  小柴教授是当时日本探测质子衰变实验计划的核心人物。关于质子衰变,虽然对它的预言曾出现在大统一理论中,但还从未得到过确切的实验证明,而切实地将它证实就是小柴教授研究团队本次实验的目标。

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  小柴昌俊教授

  不过,在筹备实验关键的探测器——PMT时,通过反复的考量,小柴教授的脑海里最终出现了一个大胆的想法。

  “你能帮我生产出直径为25英寸的光电倍增管吗?”会面时,小柴教授向昼马社长问道。

  这里先要知道一点背景信息,在那时,8英寸的PMT已经算是大口径的管子了,除了英国的一家公司已经对该类产品进行了开发外,滨松也是在同年春天,才刚刚开始试制5英寸和8英寸PMT。而25英寸则相当于当时电视显像管一般的大小,可见这样的要求足以让人惊讶到瞪大眼睛了。

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  8英寸、10英寸、13英寸和20英寸的PMT对比图

  那时,美国IMB也同样在推进质子衰变探测的实验计划。其使用的探测器是由数千个5英寸PMT组成,规模是小柴教授团队实验计划的数倍以上。因此,为了更早地取得实验成果,并在规模上弥补劣势,小柴教授的团队把提高质子衰变的探测精度作为其实验课题的重点,于是也就有了大口径PMT的开发委托。

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  一名潜水员潜入了位于美国俄亥俄州的IMB探测器中

  契伦科夫光非常微弱,因此难以探测。而一个20英寸PMT的受光面面积是IMB计划的5英寸管子受光面积的16倍,因此平均一只20英寸的管子就可多进入16倍的光子。若是在同等性能下,口径越大的PMT就可能产生更大的信号,进而可提高探测精度。

  “虽然不知道能不能做,暂且试着做做看。”虽然原本因与目标要求相差悬殊,想要拒绝小柴教授请求的昼马社长,在受教授热忱的科研精神所感染,并经过深思熟虑后,做出了最后的决断。就这样,20英寸的PMT也揭开了诞生的序幕。

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  小柴昌俊教授(左)和昼马辉夫社长(中)

  “经验”和“创新”成就传奇

  1979年12月,此项研发在滨松公司内正式进入计划阶段。技术部电子管组负责电子轨道的设计,测定以及评估工作由同部门的基础计测组负责,而全部工作由研发生产经验丰富的电子管第5制造部进行整体把控。在讨论使用硬质玻璃、厚度精度的均一性等重要事项后,团队最终将管子的尺寸定为20英寸直径(约50cm)。而接下来,他们将面临的则是PMT制造史上史无前例的挑战。

  在神冈实验中,20英寸PMT的主要任务是将微弱的契伦科夫辐射转变为光电子,并将其放大107倍后输出电信号。为了能够更好地捕捉从各个角度飞射出的契伦科夫辐射,并满足探测效率高、耐水压、以及时间分辨性好的要求,PMT的球面最后确定制成稍稍按压后的橄榄球(半球)形状。

  此外,为了兼顾大尺寸和高速响应的需求,待解决的技术问题还有很多,如光阴极面到电极的电子轨道要尽量保持相同的距离、在如此巨大的玻璃面上均匀地蒸着碱金属光阴极面等等。为了解决这些问题,滨松公司各技术部门的“集结号”吹响了。

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  当时的设计稿

  真空玻璃管的材料和封装

  考虑到质子衰变实验中PMT需长时间浸入水中,对其耐水性、膨胀系数、抗压性等方面都有着特殊且较高的要求。通过反复的斟酌,真空玻璃管最终采用了HARIO32材料,其具有极佳的耐水性,膨胀系数只有32,且硬度较高,是烧瓶、微波炉上常用材料。但在PMT中使用尚属首次。

  20英寸PMT的试制是从1980年10月开始的。试制过程中,真空玻璃管和芯柱的封口作业是研发团队遇到的最大问题。滨松公司也派出了当时玻璃加工的第一人来指挥工作。

  因为密封口直径有10英寸之大,且管壁又硬又厚,所以普通的气体火头很难完成封口和退火作业,需要10头氢气火头以及一个巨大的玻璃旋转台连用才能完成。

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  封口作业

  在这过程中,又有一个难题摆在了面前,即封口作业的高温高热会使电极发生氧化,导致增益降低。

  研制人员试图通过缩短退火时间来解决这个问题,但在操作时,密封口两侧约5cm的部位产生了变形和裂痕。最后通过不断改善缩短退火时间的方法,并同时将管壁的厚度降到4mm并保持均匀,这个难题才得到解决,每支玻璃管的封口作业需要约1个小时的时间。

  本次选用的HARIO32具有坚固且不易破裂的特性,虽然十分符合20英寸PMT应用环境的要求,但要用此材料吹出4mm均匀厚度的玻璃真空管却是不容易的。吹制玻璃管是一项对经验要求很高的工作,真空玻璃管的技术员最终成功解决厚度和均匀度问题,也是凭借了长时间工作经验的积累。至此,基本的真空玻璃管供应问题迎刃而解,奠定了20英寸PMT稳定供应的前提。

  为了保证该真空玻璃管的抗压能力,除了在防水铸膜上投入了不少精力外,团队还设计了一个抗压能力测试。通过反复测试和改良,最后的实验结果表明,所研制的管子可承受8个大气压以上的压力,完全可胜任3000吨纯水压力之下的工作。

  另外,考虑到运输过程中可能会发生的意外破损,掉落实验也成为了测试中的一环,目的是了解真空玻璃管破碎后的状况,并保证及时反应。通过实验发现,在管子表面覆盖一层塑料,既可防止玻璃碎片的飞溅,又可保证破碎声音的传出,进而提醒相关人员进行检查和更换。

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