Die scheinbar gewöhnliche „kleine Glühbirne“ ist in Wirklichkeit eine erstaunliche „große Technologie“

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Tan Nian (PhD in Physik)

Hersteller: China Science Expo

Einem aktuellen Bericht von CCTV News (11. Oktober 2024) zufolge wurde die größte einzelne Plexiglaskugel der Welt in China gebaut. Diese große Glaskugel mit einem Durchmesser von 35,4 Metern befindet sich 700 Meter unter der Erde in Jiangmen, Guangdong, und ist eine Schlüsselkomponente des Detektors des Jiangmen Neutrino Experiment Center.

Auf den von CCTV News aufgenommenen Fotos fällt vor allem auf, dass das Innere der großen Glaskugel mit „kleinen Glühbirnen“ gefüllt ist. Welchen Nutzen haben diese scheinbar „gewöhnlichen“ kleinen Glühbirnen?

Tatsächlich handelt es sich bei ihnen um „Photomultiplier-Röhren“ , bei denen es sich um Vakuumgeräte handelt, die einzelne Photonen erfassen können und zur Neutrino-Erkennung verwendet werden.

Das Äußere der Plexiglaskugel des Jiangmen-Neutrino-Experiments

(Fotoquelle: CCTV News)

Reihen von „kleinen Glühbirnen“ im Inneren der Plexiglaskugel

(Fotoquelle: CCTV News)

„Gewöhnliche“ Photomultiplierröhre

Die Photomultiplierröhre sieht gewöhnlich aus und ähnelt auf den ersten Blick sehr den Glühbirnen, die in unseren Geschäften für ein paar Dollar verkauft werden. Der internationale Preis beträgt jedoch 3.000 Dollar pro Stück! Denn es handelt sich nicht um eine Glühbirne im eigentlichen Sinne, sondern um eine 20 Zoll große Photomultiplier-Röhre, die voller technologischer Inhalte steckt und deutlich teurer ist als eine Glühbirne.

Photomultiplier-Röhren warten auf ihren Test

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Eine Photomultiplierröhre (PMT) ist ein elektronisches Vakuumgerät, das Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln kann.

Einfach ausgedrückt kann es einfallende Photonen durch den photoelektrischen Effekt (der Effekt, für den Einstein den Nobelpreis für Physik erhielt) in Elektronen umwandeln. Unter der Einwirkung des sich vervielfachenden elektrischen Felds kommt es bei einer kleinen Anzahl von Elektronen zu einer Sekundärelektronenemission, die vervielfacht und verstärkt werden kann, um weitere Elektronen zu erhalten. Diese verstärkten Elektronen werden durch die Anode gesammelt und dann ausgegeben [1].

Wenn einfallende Photonen auf die Kathode treffen, tritt ein photoelektrischer Effekt auf, der Elektronen erzeugt. Unter der Einwirkung des sich vervielfachenden elektrischen Feldes fliegen die Elektronen kontinuierlich zur Vervielfachungselektrode und erzeugen dort Sekundärelektronen. Nach mehreren Multiplikationen wird das Signal verstärkt.

(Bildquelle: Wikipedia)

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einer stockfinsteren Umgebung und Ihre Augen können nichts sehen, aber die magische Photomultiplier-Röhre hat scharfe Augen. Es kann diese extrem schwachen Lichtsignale empfindlich und schnell erfassen und in stärkere elektrische Signale umwandeln, sodass Sie diese extrem schwachen Lichtsignale genau erkennen können.

Aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile wie hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit werden Photomultiplier-Röhren häufig in der Weltraumtechnologie, Archäologie, Medizin, Geologie, Biologie, Astronomie, Metallurgie, Chemie, Landwirtschaft und im Militärbereich eingesetzt. Sie werden in Geräten wie Photonenzählung, Schwachlichtdetektion, Chemilumineszenz, Biolumineszenz, Detektoren für kosmische Strahlung, Spektralphotometern, Kolorimetern und biochemischen Analysatoren verwendet [2].

Neutrinos, die spurlos kommen und gehen

Im Standardmodell der Teilchenphysik, das die Zusammensetzung aller Dinge auf der Welt erklärt, sind Neutrinos eines der fundamentalen Teilchen, aus denen unsere materielle Welt besteht. Das bemerkenswerteste Merkmal von Neutrinos ist, dass sie kaum mit Materie interagieren und eine sehr starke Durchdringungskraft haben, was es für Wissenschaftler äußerst schwierig macht, Neutrinos in Experimenten nachzuweisen.

Es gibt 12 Grundteilchen, aus denen die materielle Welt besteht, darunter 6 Quarks, 3 geladene Leptonen und 3 Neutrinos.

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Man könnte meinen, Neutrinos seien selten, doch tatsächlich gibt es in unserem Leben, fast überall, viele Neutrinos. 300 Millionen Milliarden Sonnenneutrinos durchdringen pro Sekunde Ihren Körper, die Bananen, die Sie essen, produzieren ständig Neutrinos und sogar der menschliche Körper selbst produziert durch den Zerfall von Kalium-40 ständig Neutrinos. Warum ist es Ihnen nicht aufgefallen?

Da diese Neutrinos eine sehr starke Durchdringungskraft besitzen, können sie nicht nur den menschlichen Körper nahezu ungehindert durchdringen, sondern sogar die Erde und die Sonne. Aufgrund dieser extrem starken Durchdringungskraft kommen und gehen Neutrinos „spurlos“ und sind schwer einzufangen, weshalb Neutrinos auch als „Geisterteilchen“ bezeichnet werden.

Wissenschaftler glauben jedoch nicht an Aberglauben und hoffen, dieses Teilchen durch Neutrinoexperimente zu entdecken. Obwohl Neutrinos selbst nicht direkt nachgewiesen werden können, besteht bei einer großen Anzahl von Neutrinos, die den Detektor passieren, die Wahrscheinlichkeit, dass eine sehr kleine Anzahl von Neutrinos vom Arbeitsmaterial des Detektors eingefangen wird und dort reagiert und beobachtbare Photonen erzeugt. Diese Photonen werden dann von Photomultiplier-Röhren gesammelt und verstärkt, was dem indirekten Sehen der Neutrinos entspricht.

Der Nachweis von Neutrinos ist äußerst schwierig. Bei modernen groß angelegten Neutrinoexperimenten werden oft Zehntausende Tonnen Material benötigt, so dass eine große Menge an Arbeitsmaterial ungenutzt herumliegt. Von der Vielzahl der Neutrinos werden glücklicherweise nur wenige vom Detektor erfasst. Am Beispiel des Jiangmen-Neutrino-Experiments können 20.000 Tonnen flüssiger Szintillatoren täglich nur 60 Reaktorneutrinos, 4 atmosphärische Neutrinos, 1 Erdneutrino und 90 Bor-8-Sonnenneutrinos erkennen. Zum Vergleich: Die Hintergrundstrahlung beträgt 100.000 kosmische Strahlen. Dies ist das Ergebnis der Platzierung des Detektors in 700 Metern Tiefe und der damit verbundenen 200.000-fachen Reduzierung der kosmischen Strahlungsintensität[3].

Realisierung des im Inland durchgeführten Jiangmen-Neutrinoexperiments

Die Erkennung von Neutrinos ist untrennbar mit Photomultiplier-Röhren verbunden, insbesondere mit großen Photomultiplier-Röhren, die eine höhere Photonenerkennungseffizienz erreichen und Wissenschaftlern helfen können, schwache Neutrinosignale zu finden.

Auf dem internationalen Markt haben Photomultiplier-Röhren eines japanischen Unternehmens eine Monopolstellung. Man kann sagen, dass dieses Unternehmen auf dem Gebiet der Herstellung von Photomultiplier-Röhren wirklich einzigartig ist. Insbesondere bei großen Photomultiplierröhren waren vor 2016 weltweit nur japanische Unternehmen in der Lage, diese herzustellen. Der Preis für die weltweit größte 20-Zoll-Photomultiplierröhre beträgt 3.000 US-Dollar pro Stück. Käufer haben keine andere Wahl, als eine Bestellung aufzugeben, da es sich um das einzige seiner Art auf der Welt handelt.

Damals bestellte Japan im Rahmen seines Super-Kamiokande-Neutrinoexperiments über 11.000 solcher großformatigen Photomultiplier-Röhren bei einheimischen Unternehmen. Allein die Kosten für die Photomultiplier-Röhren beliefen sich auf über 30 Millionen US-Dollar (nach dem damaligen Wechselkurs waren es über 200 Millionen RMB).

Die 20 Zoll große Photomultiplierröhre sieht unauffällig und gewöhnlich aus und ähnelt einer Glühbirne. Obwohl es teuer ist, ist es das Geld wert.

Die Neutrinoexperimente der Wissenschaftler kommen ohne sie nicht aus. Vom Kamioka-Experiment bis zum Super-Kamiokande-Experiment „half“ die Photomultiplier-Röhre den Japanern, zwei Nobelpreise für Physik zu gewinnen. Einer davon war im Jahr 2002, als Masatoshi Koshiba den Preis für die Entdeckung von Supernova-Neutrinos erhielt, und der andere im Jahr 2015, als Takaaki Kajita und andere den Preis für die Entdeckung von Neutrinooszillationen erhielten.

Für die große wissenschaftliche Anlage „Jiangmen Neutrino Experiment“, mit deren Bau chinesische Wissenschaftler im Jahr 2015 begannen, sind 20.000 20-Zoll-Photomultiplierröhren erforderlich. Wenn alle von japanischen Unternehmen gekauft werden, entstehen sehr hohe Kosten.

Wie lassen sich die Versuchskosten senken und mit wenig Geld großartige Ergebnisse erzielen?

Es ist besser, große Photomultiplier-Röhren selbst herzustellen, als sie zu kaufen!

Daher hatten Wissenschaftler des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bereits vor Beginn des Jiangmen-Neutrinoexperiments ausreichende Vorbereitungen getroffen.

Chinesische Wissenschaftler haben im Labor erfolgreich eine 20-Zoll-Photomultiplierröhre entwickelt

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Unter der Leitung des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften arbeitete eine Kooperationsgruppe bestehend aus der China North Industries Group Corporation North Night Vision, dem Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der China National Nuclear Control Systems Co., Ltd. und der Universität Nanjing zusammen, um zahlreiche technische Schwierigkeiten zu überwinden, wie etwa die Herstellungstechnologie für Photokathoden mit hoher Quanteneffizienz, Mikrokanalplatten, große Glashüllen und die Verpackungstechnologie für optoelektronische Vakuumgeräte. Schließlich wurde ein Probenröhrchen entwickelt, dessen wichtigste technische Indikatoren wie Quanteneffizienz, Sammlungseffizienz und Peak-to-Valley-Verhältnis einzelner Photoelektronen das internationale Spitzenniveau erreichten.

Diese Errungenschaft stellte einen Durchbruch in der Herstellungstechnologie von 20-Zoll-Photomultiplierröhren dar. Der neue Typ von Photomultiplierröhren wurde im Inland produziert und verfügt über vollständig unabhängige Rechte am geistigen Eigentum, was die Innovationsfähigkeit und internationale Wettbewerbsfähigkeit inländischer Unternehmen im Bereich ultragroßer Vakuumgeräte erheblich verbessert hat [4].

Wang Yifang, damals Direktor des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und die Photomultiplier-Röhre

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Die Northern Night Vision Company hat eine spezielle Produktionslinie für die Herstellung großer Photomultiplier-Röhren eingerichtet. Diese 20-Zoll-Photomultiplier-Röhren können nicht nur im Jiangmen-Neutrino-Experiment verwendet werden, sondern auch zur Messung schwacher Lichtsignale und in anderen Situationen. Beispielsweise verwendet das LHAASO, ein hochgelegenes Observatorium für kosmische Strahlung in Sichuan, ebenfalls 20-Zoll-Photomultiplier-Röhren von Northern Night Vision zur Erkennung kosmischer Strahlung.

Unsere großformatigen Photomultiplier-Röhren sind die Photomultiplier-Röhren mit der weltweit höchsten Photonenerkennungseffizienz. Sie brechen das internationale Monopol auf diesem Gebiet und haben Patentgenehmigungen von der Europäischen Union, den Vereinigten Staaten, Japan und anderen Ländern erhalten. Dies ist ein erfolgreiches Beispiel für die grenzüberschreitende Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie zur Förderung des industriellen technologischen Fortschritts durch große wissenschaftliche Einrichtungen. Ich freue mich auf weitere solche Ergebnisse in der Zukunft!

Quellen:

1. Die Erfindung der Photomultiplier-Röhre: http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741583.html

2. Anwendung von Photomultiplierröhren: http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741602.html

3. Cao Jun: Die Geschichte und Zukunft der Neutrinoforschung, Modern Physics Knowledge 2015, 27(6): 4-8.

4. Durchbruch in der Herstellungstechnologie für Photomultiplierröhren: http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/11/361915.shtm