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高壓電源模塊與光電倍增管

CHANPINXIANGQINGJIESHAO

 四川稻城海子山,平均海拔4410米。過去人跡罕至的地方,一個方圓1.36平方公里的探測陣列正在加緊安裝,近萬個探測器將一探世紀之謎——高能宇宙線起源。

 2019年6月19日,國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站(LHAASO),進入集中安裝階段。我國自主研制的2270只高時間分辨率的光電倍增管將在該系統中發揮關鍵作用。與此同時,千里之外的江門中微子測試基地也迎來了10000只國產20英寸微通道板型光電倍增管,其探測效率均值達到30%以上,成功超越國外同類產品水平。

光電倍增管是高能物理實驗的關鍵通用部件,被稱作中微子實驗中技術含量最高、最關鍵的器件之一。目前,我國已打破國際同行的壟斷,成功研制出世界一流的高性能20英寸微通道板型光電倍增管,解決了我國大科學工程的“卡脖子”問題,推動真空光電探測器件產業的自主可控高質量發展。

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(光電倍增管陣列)

 而廣東江門開平市,地下700米深處。這里正在建設一座巨型地下中微子探測實驗室,宛如科幻大片中的未來世界:一個直徑35米球形的探測器,內部是2萬噸透明的液體閃爍體,外部直徑為40米的鋼結構上裝有20000只20英寸和25000只3英寸光電倍增管,上述構成的探測器浸沒在直徑為43米的圓柱體內。

 當中微子進入球形探測器,在線性烷基苯為主的液體閃爍體中,就會以極小的概率發生β衰變,發出極其微弱的光。而球形探測器外部的光電倍增器就像“放大鏡”,及時捕捉到微弱的光并轉化為電信號放大輸出,才能探測到幽靈般中微子的行蹤。

中微子是個神秘莫測的家伙。最早,人類認為構成物質世界的最小單位是原子。到20世紀初,科學家們發現,原子是由質子、中子和電子構成。現在,人們又知道,更小的基本粒子是夸克和輕子。中微子就屬于輕子。

十幾年前,中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳有了一個大膽的想法,采用國產20英寸光電倍增管建設江門中微子實驗基地,并提出了新型光電倍增管的專利設計方案。但是,實現這個想法似乎比研究中微子更加困難。當時,國內僅能生產2英寸以下小尺寸光電倍增管,成本上不可接受,性能上也距要求甚遠。

“日本濱松公司壟斷了全球90%以上的光電倍增管市場份額,高端產品對國內完全技術封鎖。”北方夜視技術股份有限公司南京分公司總經理孫建寧無奈地說道。如果國內不能生產大尺寸、高性能光電倍增管,一切都將受制于人。

2007年,我國在大亞灣建設中微子實驗室。所用到的2000多只8英寸光電倍增管,全部由美國合作者從濱松公司購買。

與之相比,上世紀80年代,日本神岡中微子實驗室采用的是濱松公司20英寸光電倍增管。該實驗室投入使用以來,誕生了兩項諾貝爾物理學獎。工欲善其事,必先利其器。20英寸光電倍增管成為我國大科學工程必須攻克的堡壘。2011年,由中國科學院高能物理研究所牽頭,北方夜視技術股份有限公司、中科院西安光學精密機械研究所、中核控制系統股份有限公司和南京大學等組成大尺寸微通道板型光電倍增管產學研合作組。

 經過4年攻關,成功研制出適用于大科學工程裝置中微子探測用20英寸高性能微通道板型光電倍增管。該產品綜合性能達到國際先進水平,其中部分指標超過國際同行。“提高光電倍增管的探測效率是最核心的技術之一,它包括量子效率和收集效率兩個因素。相比日本目前采用的傳統金屬打拿極型光電倍增管倍增方式,我們采用微通道板作為電子倍增系統來實現電子放大,電子收集效率達到98%以上,從而保證在量子效率基本相當的情況下,探測效率超越日本同類產品。”孫建寧介紹,他們還研制了世界上最大的高真空轉移設備,還研究了一系列提高產品技術指標的新技術,諸如低放射性本底技術,高增益、長壽命等。

      不同于研究中微子,海子山上的LHAASO觀測站,瞄向的是宇宙線起源。宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化等宏觀信息,是傳遞“宇宙大事件”的信使。自1912年宇宙線被發現以來,人類始終沒有發現它的起源,成為“世紀之謎”。中國科學院高能物理研究所副研究員高博介紹說,LHAASO觀測站中央是一個“大水池”——包含3000個探測單元的切倫科夫探測器。高時間分辨率的光電倍增管要對單光子級別的光信號進行研究,捕捉進入水池上空大氣的每一個高能伽馬射線的蹤跡,從而研究高能宇宙線的產生機制。2018年6月,我國自主研制的高時間分辨率20英寸微通道板型光電倍增管正式誕生,其具有渡越時間離散小、時間一致性好、暗噪聲小等特點。2018年9月,北方夜視技術股份有限公司成功中標LHAASO項目大尺寸光電倍增管全部訂單。

     “在20英寸微通道板型光電倍增管的技術基礎上,我們根據天體探測,也就是LHAASO項目的需求,研制出了高時間分辨率的光電倍增管。”孫建寧介紹,時間分辨率是對光信號到達光電倍增管時間的測量精度,時間分辨率越高,就能對伽馬射線的方向測量越精確。

 

     在其他市場,光電倍增管(PMT)不僅用于高能物理,也用于核醫學、核工業裝備、光譜探測等應用,其光電陰極中,最初產生的電子經過KV級的高于電勢加速,產生較高的內部增益。這個電勢差使電子撞擊倍增管點擊,從而產生次級電子,經過最后一級倍增累計的光電流為放大器信號,最終被陽極收集。陽極收集的光電流一般傳輸到跨阻放大器,將電流轉變為電壓進一步放大。

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     在目前的適配電源供電中,有采用電源模塊,存在諸多問題:

1.      電源效率低,同時發熱量大;

2.      產品體積大,可靠性低,無法滿足高端應用;

 

如國外進口品牌的光電倍增管一樣,我們如需要實現更高性能的產品體現,則需要重點考慮高壓電源模塊這一組件。

美國PICO公司提供高可靠DC-DC高壓電源模塊產品系列,輕松實現1500~10KVdc輸出,體積僅0.500" x 0.500" x 0.500",重量僅為5g,輸入電壓范圍涵蓋5, 12, 15, 24, 28, 和48 Vdc,輸出電壓精度±3%,產品符合美軍標MIL-STD 883,無需外加散熱片,穩定工作范圍-55 to +125℃ 。

PICO為光電倍增管系統提供最佳的電源模塊匹配,同時PICO的高壓電源模塊產品,可推薦用于雷達、機載系統等苛刻環境。

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