开发 20 英寸 PMT

“嗨，您能为我制作 25 英寸的 PMT 吗？”

20 英寸 PMT

1979 年，东京大学理学部教授 Masatoshi Koshiba 邀请滨松光子学株式会社 (HPK) 社长 Teruo Hiruma 参观其研究实验室。邀请的目的是 Koshiba 教授请 Hiruma 社长开发用于观测质子衰减实验的大型 PMT。Koshiba 教授是计划实验及其所用设备的关键人物。他向 Hiruma 社长提出了一个具有挑战性的提议 ——“嗨，您能为我制作 25 英寸的 PMT 吗？”

当时，总部位于英国的 Thorn EMI（现为 Electron Tubes, Ltd.）正忙于开发直径为 8 英寸的 PMT。那年春天，HPK 刚刚开始开发一款带有 8 英寸直径半球形光阴极面包膜的原型 PMT。但是，Koshiba 教授现在提出的是完全不同的量级。他想要的 25 英寸直径 PMT 与大型电视屏幕的尺寸差不多。

美国科学家当时也在制定质子衰减观测实验计划。这些计划要求使用数千个直径为 5 英寸的 PMT，这几乎是日本实验计划的量级的两倍。当 Koshiba 教授听说美国计划时，他认为他必须做一些事情来抵消日本计划量级较小的缺陷。他打算通过提高检测切伦科夫辐射的灵敏度和精度来实现这一点，此类检测数据可作为质子衰减过程的证据。大统一理论预测了质子衰减，但当时尚未经过实验证实。

制作直径为 25 英寸的 PMT 是一个很了不起的项目，然而接受这项开发工作并非易事。然而，Hiruma 社长被教授的热情和奉献精神打动了，所以只是点头说道：“好吧，那我试试看吧。” 那年晚些时候，HPK 开始进行原型计划。

在开发工作中，电子轨迹设计委托 HPK 工程部的电子管组，测量评估工作由工程部基本测量组处理，整体原型制作由 5 号生产部负责。在详细研究了每份评估报告后，公司决定开发 20 英寸 PMT。

质子衰减观测实验的目标是使用 PMT 捕获由质子衰减产生的高能带电粒子触发的切伦科夫辐射。PMT 设计为具有半球形光敏表面，可轻松捕获从各个角度飞出的切伦科夫辐射，并保持良好的耐压性。

开发工作基于之前的 8 英寸电子管原型进行。与 5 英寸电子管的半球受光面不同，8 英寸电子管的受光面具有略微平坦的半球表面，其剖面图与橄榄球相似。这一外形被判定为最适合 20 英寸电子管的形状，具有出色的时间特性和光电子采集效率。

电子轨迹设计必须满足在 2 纳秒内实现时间特性以及提高光电子采集效率的极困难条件。工作继续进行，并且特别注意从光阴极面的每个位置到第一倍增器电极（电子倍增倍增器电极）的光电子渡越时间差以及与第一倍增器电极的入射角。虽然开发工作没有达到 2 纳秒的时间特性，但确实成功地设计了具有 4 纳秒的原型，这一数值开创了记录且得到了证明。

PMT 的整体结构是设计流程的下一部分工作内容。光阴极面形状和聚焦电极设计是 PMT 的基础。由于 PMT 在质子衰减实验中要长时间浸入水中，因此使用一种名为 HARIO 32 的玻璃材料作为玻璃管，因为它具有卓越的防水特性。HARIO 32 是一种硬玻璃，热膨胀系数小，仅为 32。该产品历来用于需要良好耐热性的用途，例如保温瓶、微波炉器皿和咖啡机玻璃部件，但从未用于 PMT。

打造全球最大的 PMT

20 英寸 PMT 密封工艺

20 英寸 PMT 原型的生产始于 1980 年 10 月。最困难的挑战是密封玻璃管和杆。因此，当时管理滨松光子学株式会社整体玻璃制造工作的 HPK 玻璃加工领域最重要的专家直接负责这项艰巨的工作。普通燃气炉不易制造直径为 10 英寸的密封口和厚厚的硬壁 (4 mm) 玻璃管。制造密封口需要一个 10 连杆氢气炉和一个大型玻璃车床。与燃气炉和车床一起的还有两个更大的燃气炉，用于缓慢制冷。不幸的是，封口所需的高热量也氧化了倍增器电极，导致增益下降。

为了解决这个问题，制冷时间被缩短；然而，密封口两侧出现了一段 5 cm 的翘曲，并因此出现开裂。最终，通过制造厚度为 4 mm 的更薄玻璃管并修改慢速冷却方法解决了这个问题。使用这种技术，大约需要一个小时才能完全封口，包括更换氮气的时间。

HARIO 32 坚固且难以破碎的管材使其成为非常适合制造大型电子管的玻璃材料。然而，吹制平均厚度仅为 4 mm 的玻璃管是一项极其困难的技术壮举。技术人员最终通过不懈的努力和丰富的经验克服了这个问题，从而能够不断地生产供应稳定的电子管。

为了确定水压下的 PMT 特性，设计了大容量压力测试仪。测试结果表明，PMT 可承受超过 8 个大气压。我们还在 PMT 不太可能发生的运输损坏情况下，研究了 PMT 的内爆特性。跌落测试表明，覆盖装置的塑料袋可防止玻璃碎片飞溅，但可在附近听到爆炸声。

包括倍增器电极在内的电极重量超过 2 kg，远远超出普通 PMT。为了降低成本，采用较为便宜的不锈钢（类似于厨房水槽常见的不锈钢）代替了通常用于 PMT 电极的高价非磁性不锈钢。此外，在 PMT 中使用尺寸为 75 x 75 mm 的软百叶窗式倍增器电极。通过对 20 英寸电子管进行这些修改，PMT 实现了极宽的视野。

使用七毫米宽的不锈钢来支撑电极。为了进一步抑制振动，使用大号钢板弹簧来固定电极。PMT 杆中的引线上部通过玻璃环固定，以增加强度。为了增强与光输入位置相比的阳极输出均匀性，从电极中心对称地间隔安装软百叶窗式倍增器电极。锑金属使用经证实能够实现高灵敏度的方法蒸发沉积到倍增器电极上，从而产生有效结果。通过这种方式，许多先前掌握的高度复杂的技术统统被用于开发 20 英寸 PMT。

HPK 6 号生产部负责激活光阴极面的两段工艺。第一段包括将电子管烘烤两天，以便彻底脱气。在第三天，制造光阴极面。

因为这是一个 20 英寸 PMT，所以最大的问题是其阴极是否可以正确制造。在完成制造首件 PMT 之前的日子里，大家颇为担心。此外，在锑蒸发等步骤中，除了依靠执行电子管排空任务的专业人员的眼睛和判断之外，没有其他选择。在整个生产过程中，普通的 PMT 可由工人握住，但大型 20 英寸 PMT 必须首先固定到位。然后，工人可以在 PMT 外部走动并执行所需的任务。工人戴上了配备防爆面罩的防护头盔，沿着台阶走上放着大型泵浦台的平台，然后开始最终制造，该工序包括制造光阴极面和密封 PMT。

光阴极面制造工艺中氧气排放形成的颜色具有视觉吸引力。当锑蒸发后与钾反应时，这种颜色立即变为光阴极面的理想色调。工作人员聚集在泵浦台周围，欢呼雀跃，因为这是令大家都情绪高昂的时刻。

4 英寸的油扩散泵首次在泵浦台上使用。最初，活化炉包含一个两段式卧式固定炉。在实际生产过程中，PMT 安装在固定位置，并使用立式电炉。然后，为安全起见，用金属网覆盖完成的 PMT，然后由起重机移动。

通常，在 PMT 开发期间激活光阴极面所需的条件极难确定，并且只能通过不断试验和试错来发现。然而，第一个 20 英寸 PMT 就成功地超过了在 400 纳米波段达到 20% 量子效率的目标。第二件电子管的增益率超过了一百万。至此，大部分开发工作已完成。值得注意的是，刚开始生产的几件电子管就产生如此良好的结果，这在滨松光子学株式会社多年来开发的许多原型光电倍增管中都是非常不寻常的。

为了评估电子管特性，使用包含单色仪和 LED 的大型暗盒进行测量。阳极灵敏度均匀性的初始数字较差，因此改变了第一、二倍增器电极的形状及其排列。此举立即实现了性能提升。

东京大学的科学家们最初提出要求时强调，电子管的时间特性是关键因素。然而，在开发的后半部分，他们强烈要求提高单个光电子的分辨率，以区分电子和 μ 介子。当时软百叶窗式倍增器电极的采集效率很低，所以信号较小。就这一点而言，电子管器件的特性称不上令人满意。当 PMT 冷却到实际操作中使用的水温时，暗电流下降，信噪比经过改进达到可接受的水平。之后多年，在大型“超级神冈探测器”实验设施中使用的 20 英寸 PMT 开发过程中，这两个特性得到了极大的改善。

仅用 5 个月就制造出 20 个原型

神冈探测器安装的光电倍增管。
（由东京大学 ICRR 友情提供）

1981 年 1 月，第一件原型电子管被送到东京大学。实际开发于之后的一个月结束。最初有 20 件原型管，其开发和制造仅用了五个月。这些型号名称为 R1449 的 20 英寸 PMT 由东京大学的高能物理研究实验室公开发布。

R1449 由此开始量产。委托丰冈工厂 7 号生产部约 30 名经验丰富的 HPK 员工组成的团队进行生产。

最初的生产受到各种问题的影响，例如变形引起的玻璃管开裂和增益下降。良率后来逐渐提高，最终平均达到 70% 的高位。生产于当年 5 月完成。

1982 年 5 月，滨松光子学株式会社向东京大学宇宙射线研究所的“神冈探测器”（神冈核子衰变实验）观测站交付了 1,050 件世界上最大的 20 英寸 PMT。该研究所成立于日本岐阜县飞驒市神冈町的神冈矿山。

这些 R1449 电子管安装在矿山地下 1,000 米处的大型水箱内表面的四壁、地板和天花板上。这 1,000 只大眼睛安静地持续观测切伦科夫的辐射，以捕捉质子衰变的瞬间。

中微子天文学的开始

超级神冈探测器 (SK) 比例模型
（由东京大学 ICRR 友情提供）

观测开始几个月后，Koshiba 教授能够确认，设备获得的高质量数据远远超出了最初的预期。一个重要的结果是，这些数据证明了滨松光子学株式会社开发的 R1449 PMT 的高性能。另一个结果是，神冈探测器对于切伦科夫辐射的高灵敏度检测显示出检测太阳中微子以及质子衰减的可能性。Koshiba 教授随后开始制定设备改造计划。这些修改主要涉及增加和改进用于分析 R1449 PMT 捕获的切伦科夫辐射的数据分析设备。

这些修改于 1986 年底完成。1987 年 1 月，神冈探测器不仅观测到质子衰变，还观测到太阳内部发生的核聚变反应产生的中微子。该设备设计用于接收从太阳中飞出的中微子通过神冈探测器装满 3,000 吨纯水的水箱时产生的极罕见的切伦科夫辐射。当然，R1449 PMT 是该设备必不可少的传感器。

除了在太阳发生核聚变时会发射中微子外，当恒星死亡时发生的巨大爆炸也会释放大量中微子。这一观测结果已经得到越来越多的关注，成为解开宇宙形成及其演变谜题的可能手段。然而，中微子的强度足以穿过包括地球在内的各种物质，因此长期以来观测它们一直非常困难。因为神冈探测器观测站被埋在地下深处，以避免各种宇宙射线轰击地球时产生的噪声，所以它能够检测中微子和 μ 介子。通过这种方式，神冈探测器在继续等待质子衰减的瞬间的同时，以每九天一次的频率检测太阳中微子。

有一天，神冈探测器发布了出人意料的消息。1987 年 2 月 23 日下午 4:35，神冈探测器检测到远离超新星 (1987A) 运行的中微子在离地球大约 170,000 光年的大麦哲伦星云的一角出现。据称，超新星爆炸每隔几百年才会发生一次。捕捉这一事件是一次非常巨大的幸运，因为上一次肉眼能看到这样的事件是在 1604 年。

1987 年那天，每平方厘米洒落了 100 亿个中微子，估计为 2 x 10¹⁶ 个中微子轰击了整个水箱。在所有这些中微子中，只有 11 颗因与注满的水箱中的中微子发生碰撞而导致发射了切伦科夫辐射。这是第一次观测到超新星发出的中微子，并且这一事件宣示了利用基本粒子探测宇宙的“中微子天文学”的开端。

这对滨松光子学株式会社来说是非常伟大的成果。安装在水箱内的世界上最大的 PMT 在水下持续正常运行了四年，证明它们可以按预期运行，并且还有助于为天文科学书写新的历史篇章。

使这次成功的活动对参与人员更有意义的是在 Koshiba 教授计划退休前一个月观测到的结果。

超级神冈探测器：聚焦激动人心的未来新前景

神冈探测器虽然未能实现其最初设定的观测质子衰减的目标，但确实成功地实现了人类首次中微子观测。结果证明，其实验设备在测量中微子方面非常有效，因此尽管其简称“神冈探测器”仍保持不变，但其正式名称已从“神冈核子衰变试验”修订为“神冈中微子检测试验”。随后，东京大学于同年 8 月宣布了其“超级神冈探测器”（一种用于探测宇宙粒子的大型水基切伦科夫探测器）计划。

该计划源自主流“大统一理论”预测的影响，该理论指出质子的寿命为 10³⁴ 年。这促使质子衰减和中微子观测设备的计划性能比超级神冈探测器高约 10 至 100 倍。计划要求在 1995 年前完成施工，总预算高达约 87 亿日元。这架超级神冈探测器建于神冈矿山地下约 1,000 米处，距离神冈探测器 900 米。直径 39.3 米、高 41.4 米的大型水箱装满 50,000 吨纯水，约是神冈探测器用量的 16 倍。

滨松光子学株式会社接受了在超级神冈探测器使用的 11,200 件 20 英寸 PMT 的订单。进一步改进了 R1449 PMT，并以型号为 R3600-05 的 20 英寸电子管交付。

东京大学名誉教授 Masatoshi Koshiba 因“对天体物理学的开创性贡献，尤其是对宇宙中微子的检测"荣获诺贝尔物理学奖。

1987 年 2 月，他利用超级神冈探测器的前身神冈探测器，成功观测到超新星爆炸产生的中微子。我们致以最热烈的祝贺。

开发 20 英寸 PMT

“嗨，您能为我制作 25 英寸的 PMT 吗？”

打造全球最大的 PMT

仅用 5 个月就制造出 20 个原型

中微子天文学的开始

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