国家重点研发计划“高性能光电倍增管研制”项目获得正式立项

锐创动力2020-06-29 13:48:09

文 | 孙建宁

导读

《高性能光电倍增管研制》专项项目是由北方夜视作为申报主体,并联合中国科学院高能物理研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所等众多科研院所和高等学校的优势力量参与项目研发工作,拥有一支产、研、用完美结合的研究团队。该项目是支持国家大科学工程的需要,也是中国兵器集团参与国家重大科学工程的一个绝好机会。高性能光电倍增管研制项目的实施,将有效的延伸发展微光产业,带动企业在真空电子器件研究领域的发展,提高真空电子器件的技术水平和研发能力,促进军用市场的能力建设。


1. 项目背景


(1)大亚湾中微子实验的广泛影响

自2003年大亚湾中微子实验计划提出以来,中国成为了国际中微子研究队伍中极重要的一员。我国大亚湾中微子实验在全球首次测量到中微子的第三种振荡模式,赢得了国际物理学界的广泛关注和普遍赞誉,被列为2012年中国十大科技进展新闻,并入选美国《Science》年度十大科学突破。在大亚湾中微子实验的基础上,又启动了江门中微子探测实验,对中微子展开更深入的研究,保持我国在该研究领域的领先地位。

[图1]  中微子实验 —大亚湾

 

[图2]  中微子实验—江门  


(2)中微子研究对光电倍增管的要求

中微子研究涉及的问题极为根本,牵涉人类对宇宙的根本认识,影响宇宙的形成与演化。同时由于它看不见摸不着,只参与弱相互作用,探测极为困难,对它的研究需要极复杂的技术。为了布满中微子实验探测器内壁,光电倍增管的尺寸决定了所需数目。为了保障探测器的正常工作及后期维护,通常要求光电倍增管的探测面积尽量大。由于之前国内没有生产大面积光电倍增管的能力,故只能引进国外生产的8英寸光电倍增管,价格非常昂贵,而且8英寸光电倍增管还不能满足江门中微子实验的需求。目前,世界上光电倍增管的最大尺寸为20英寸,北方夜视技术股份有限公司(以下简称:北方夜视)的高性能20英寸微通道板型光电倍增管(以下简称:MCP-PMT)和日本滨松公司的20英寸打拿极型光电倍增管。

[图3]  北方夜视研制的8吋和20吋MCP-PMT实物图


2. 项目介绍

(1)20英寸MCP-PMT简介

20英寸MCP-PMT是一种将极微弱光信号转换成电信号的真空电子器件,是具有自主知识产权的大面积、高探测效率的静电聚焦型光电倍增管。与传统的金属打拿极型光电倍增管相比,它采用微通道板作为电子倍增系统进行电子放大,具有增益高、噪声低、阳极均匀性好、响应时间快、单光子峰谷比高等特点,主要应用于高能物理、核物理等国家大科学装置及科学仪器中。

在2015年12月的国际竞标中,北方夜视成功中标江门中微子实验项目1.5万只20英寸MCP-PMT,该标的是目前国内光电倍增管单笔采购数量和金额最大的合同,合同金额近3亿元。

(2)20英寸MCP-PMT的研究意义

在传统打拿极型光电倍增管市场上,日本滨松公司(北京滨松)产品占据了主要的市场份额。在MCP-PMT领域内,北方夜视走在了世界的前列,凭借该款产品的设计、技术优势,将使我国的光电倍增管技术水平突飞猛进,带动我国相关仪器厂家的仪器应用范围,填补国内空白,有效的打破国外对我国的技术垄断,为国家节约大量的科研经费,成功的在世界高端光电倍增管市场上占有一席之地。

[图4]  与MCP-PMT相关的专利申请情况


3. 项目意义

(1)激烈的物理研究环境

当前,世界主要强国在基础物理研究领域竞争激烈,纷纷投入大量的资金开展此类研究,如:日本的HyperK实验、中国的LHAASO项目等。针对国家大科学装置对核心探测器要求的不断提升,对光电倍增管的要求是:高探测效率、低噪声、高可靠性、大动态范围、单光子探测能力强。

(2)优秀的项目研发团队

该项目由北方夜视作为申报主体,并联合中国科学院高能物理研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所、中核控制系统工程有限公司、南京理工大学和山东航天电子技术研究所等科研院所和高等学校的优势力量参与项目研发工作,拥有一支产、研、用完美结合的研究团队。该项目是支持国家大科学工程的需要,也是中国兵器集团参与国家重大科学工程的一个绝好机会。

(3)项目实施的必要性和前景

为了解决高性能光电倍增管价格昂贵、依赖进口、受制于人等问题,有效地节约国家在该类探测器建设和研究的投入,满足国内外市场对高性能光电倍增管的迫切需求,特此申报科技部“重大科学仪器设备开发”专项项目《高性能光电倍增管研制》,提升产品性能,提高工艺可靠性和产品稳定性,完成批生产前准备工作。

高性能光电倍增管研制项目的实施,将有效的延伸发展微光产业,带动企业在真空电子器件研究领域的发展,提高真空电子器件的技术水平和研发能力,促进军用市场的能力建设。

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