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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。

  光阴极

  PMT直径有20英寸那么大,光阴极是否得以顺利制作,研究团队每一个成员的心里都敲着鼓。在第一支PMT完成之前的每天,大家时刻保持着紧张状态。而且,许多作业如锑金属的蒸着,除了全部依靠技术作业员的眼睛和专业判断外,也没有其他更多的方法了。

  在开发新的PMT时,往往难以抓住光阴极制作的活化条件,失败固然是家常便饭。但幸运的是,20英寸PMT从开发出的第一支管子开始,就超过400nm处量子效率为20%的目标,到第2支时增益也一下子就突破了106倍。这样一来,开发任务的一大半便已完成了。值得一提的是,在滨松开发PMT的历史中,这样大口径的产品只试制了几支就“修成正果”的实属少有。

  研制虽然在辛苦和紧张中度过,但也不失乐趣和感动。光阴极制作过程中氧气放电产生令人赏心悦目的绚烂颜色;锑蒸着后与钾发生反应并瞬间变成理想光阴极的漂亮颜色时,排气台一旁发出的阵阵欢呼声,这一幕幕动人的情景,也都成为这一程路上陪伴研发团队的美丽星光。

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  20英寸PMT旧照

  电子轨道和电极

  小柴教授除对该PMT的时间特性要求极高(2ns)外,光电子的收集效率也要有所提高。因此在电子轨道研发过程中,开发人员对电极进行了精密的设计。此外,还着重关注了光电子从光阴极各位置以及不同入射角入射到第一倍增极的渡越时间差异。虽然团队在最后没能达到2ns的最高要求,但试制品依然实现3.3ns的优秀记录。

  20英寸PMT的电极总体重量超过了2kg,这是以往PMT无从比拟的。为了削减成本,电极上使用的不锈钢选用了更便宜的一般洗手台所用材料,来替代以往高价的电子管用非磁性不锈钢。这也是除了HARIO32以外又一次选用的异于常规的材料。

  为了更长久的耐震性,除了使用7mm的不锈钢板将电极牢牢固定外,还使用了大型的板弹簧,并将芯柱引线的上部用玻璃环进一步强化;为了提高均一性,75mm*75mm百叶窗型的倍增极从电极中心出发对称排开;电极锑金属蒸着方面,技术人员选用了一种通过证实可提高电极灵敏度的方法,收效显着。

  这些技术并不是一下子就凭空具有的,而是融合了滨松之前20多年PMT的研发经验,而这些经验也在本次研发中得到进一步的发展和升华。

  *1)百叶窗型:PMT的倍增极构造的一种,形状像窗户上挂的百叶一样,多用于大口径端窗光电倍增管。

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  百叶窗型倍增极示意图

  持续改进

  为了评估试制管的特性,研究团队制作了配有单色仪和LED的大型暗箱。特性的测试也给改进工作不少帮助。如通过测试,发现了最初试制管阳极灵敏度的均一性不理想,进而变更了第1及第2倍增极的形状和组合,改善的效果立竿见影。

  另外,正如前文提到的,小柴教授的团队一开始是将时间特性作为关键因素,但在开发进入后半期时,为了区分电子和μ介子,提高单光子分辨率的需求也凸显了出来。另外,信噪比也成为当时关注较多的问题。20英寸PMT采用的是百叶窗型倍增极,其收集效率相对较低,因此产生的信号也偏小。但是研究人员发现,神冈实验的水温较低,此环境下PMT的暗电流会降低,信噪比在可接受范围内,所以在使用上没有问题。

  在试制的过程中,除了努力达到计划中的要求,许多意料之外的问题也是团队需要面对的。也就是在这样不断地反复中,20英寸PMT的研制也逐渐接近了成功。

  诞生的钟声也为“新生”的开始而敲响

  1981年1月,第一支试制管成功交付。次月,本次20英寸PMT的研发工作宣布圆满结束,型号为R1449。

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  滨松公司早期的20英寸PMT宣传画

  不久后,东京大学高能研究所在报纸上公布了20英寸PMT开发完成的消息,消息一出便获得了高度关注,轰动一时。而正式的生产工作也在这样热烈的注目下开始了。

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  20英寸PMT的新闻(复印资料)

  隶属于滨松公司电子管事业部的丰冈制作所第7部门负责了此次的生产,前后投入了约30名员工到该项目中,在生产的初期,虽然依然困难重重,但总合格率也很快达到70%,并在同年7月完成了交付。

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  铃木厚人(后来的日本高能物理研究所所长)

  与测试中的20英寸PMT

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  神冈探测器内的20英寸PMT

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  神冈探测器内部图

  1982年8月,1050个20英寸PMT正式投入到了“神冈实验”的使用中。东京大学研究质子衰变的“神冈实验”设在岐阜县神冈町的神冈矿山地下1000米处,在人工挖建的大水槽内侧墙壁、底部、顶端都安装上了R1449。这一支支为了捕捉质子衰变可贵瞬间的“大眼睛”,在这里开启了它们新的“征程”。与此同时,在滨松公司内,关于这些“大眼睛”的新一轮研发,也再一次拉开了帷幕。

  那么,新一轮的研发是为了什么?新的20英寸PMT会有着怎样的变化? 又出现了哪些新的挑战?敬请继续关注最后一期的“中微子探测的一万支‘眼睛’的故事”。

  揭开中微子天文学的序幕

  神冈探测器投入工作几个月后,小柴教授确认此设备得到的数据比预想的要好,这也是R1449高性能带来的效果。1984年1月5日,一个疑似质子衰变的信号被捕捉,但是通过验证发现只是类似,而非真正的质子衰变信号。

  为了进一步降低宇宙射线和岩壁产生的背景噪声,同年5月,滨松公司接到小柴教授的提案,希望在纯水容器的外侧设外水槽,并于该部位再装配一些光电倍增管(Photomultiplier Tubes,简称PMT)。因此在9月25日,新增的110支20英寸PMT也投入到了“神冈实验”中。此外,实验团队也通过提高纯水的纯度来降低射线的影响。诸多改进之下,明显降低了背景噪声。

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  注水中的神冈实验探测器

中微子探测的一万只“眼睛”的故事

  完成注水后的神冈探测器俯视图

  而这样一来,神冈探测器凭借其对切伦科夫辐射的高探测灵敏度,除了可以胜任质子衰变观测之外,还显示出了观测太阳中微子的能力。于是,小柴教授马上推进了设备的改进计划,追加和强化了数据分析设备,以对这一千多个20英寸“大眼睛”捕捉到的切伦科夫辐射进行更精准的解析。改造工作于1986年末完成,从次年1月开始,神冈探测器在原来质子衰变观测基础上,增加了观测太阳中微子的任务。

  中微子除了由太阳核聚变发出外,星体寿命将尽时引起的大爆炸也会放出大量的中微子,这是解开宇宙诞生和进化之谜的关键,一直备受关注。虽然中微子的穿透能力很强,极难对它进行观测,但也可以反过来利用它的这一特性。为了避开各种宇宙线的噪音的神冈探测器潜伏在地底深处,也只有中微子和μ粒子能穿过岩壁到达进而被探测。除了神冈探测器外,世界上也设有几处中微子的观测所,出于同样的原因,也全部是利用矿山和隧道,设在地底深处。

  神冈探测器在持续等待质子衰变瞬间的同时,也以9天1次的频率探测到了太阳中微子。这样的日子一直持续着,直到有一天令人激动的事情发生了。

  1987年2月23日下午4点35分,神冈探测器捕捉到距离地球17万光年的大麦哲伦星系超新星1987A爆炸发出的中微子。超新星爆炸可以说是百年难得一遇,上一次有观测记载还是在1604年。虽然每平方厘米就有一百亿个中微子落下,进而推测出整体有2×1016个中微子会落在水槽里,但实际与水的电子发生碰撞激起契伦科夫辐射的,仅有11个。可以说,神冈探测器非常漂亮地抓住了这罕见的瞬间,成为世界超新星中微子观测的首个成功案例,敲响了通过基本粒子探测宇宙“中微子天文学”的晨晓之钟。

  而这一消息,对于滨松研制20英寸PMT的团队来说,无疑是一个巨大的喜讯,也是1000余个20英寸的“大眼睛”们历经数年的持续工作给世人交出的一份满意答卷,并在担起打开天文学新篇章的历史壮举中,留下了自己的身影。

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  小柴教授和滨松20英寸PMT

  那时,再过一个月,小柴教授就要迎接自己的退休了,恰好这个时候成功地观测到了超新星中微子,也正是因为这一成果,教授获得了2002年的诺贝尔物理学奖。相信这也让教授以及团队的每一个人都有更深的感慨吧!

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