一見普通の「小さな電球」は、実は驚くべき「ビッグテクノロジー」です

制作：中国科学普及協会

著者: Tan Nian (物理学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

CCTVニュースの最近の報道（2024年10月11日）によると、世界最大の単一のプレキシガラス球が中国で建造された。直径35.4メートルのこの大きなガラス球は、広東省江門市の地下700メートルに位置しており、江門ニュートリノ実験センターの検出器の重要な構成要素です。

CCTVニュースが撮影した写真で最も目を引くのは、大きなガラス玉の内部に「小さな電球」が詰め込まれていることだ。一見「普通の」小さな電球の用途は何でしょうか?

実は、その正体は「光電子増倍管」であり、単一光子を検出できる真空装置で、ニュートリノ検出に使われています。

江門ニュートリノ実験のプレキシガラス球の外観

（写真提供：CCTVニュース）

プレキシガラスのボールの中に並んだ「小さな電球」

（写真提供：CCTVニュース）

「普通の」光電子増倍管

光電子増倍管は一見すると普通のもので、日常の店で数ドルで売られている電球と非常によく似ていますが、国際価格は 1 個あたり 3,000 ドルです。なぜなら、これは実際には電球ではなく、20 インチの光電子増倍管であり、技術的な内容が満載で、電球よりもはるかに高価だからです。

テストを待つ光電子増倍管

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

光電子増倍管 (PMT) は、光信号を電気信号に変換できる真空電子機器です。

簡単に言えば、光電効果（アインシュタインにノーベル物理学賞をもたらした効果）を通じて入射光子を電子に変換することができます。少数の電子は増倍電界の作用により二次電子放出を起こし、それが増倍され増幅されてより多くの電子を得ることができます。増幅された電子は陽極を通して集められ、出力される[1]。

入射光子が陰極に当たると光電効果が起こり電子が生成されます。増倍電界の作用により、電子は増倍電極に向かって連続的に飛行し、二次電子を生成します。複数回の乗算の後、信号は増幅されます。

(画像出典: Wikipedia)

真っ暗な環境にいて目が何も見えないのに、魔法の光電子増倍管には鋭い目があると想像してください。非常に弱い光信号を敏感かつ迅速に捕捉し、より強い電気信号に変換することで、非常に弱い光信号を正確に確認できるようになります。

光電子増倍管は、高感度、高速応答などの独自の利点があるため、宇宙技術、考古学、医学、地質学、生物学、天文学、冶金、化学、農業、軍事分野で広く使用されています。これらは、光子計数、微弱光検出、化学発光、生物発光、宇宙線検出器、分光光度計、比色計、生化学分析装置などの機器に使用されています[2]。

跡形もなく現れては消えるニュートリノ

世界のあらゆるものの構成を説明する素粒子物理学の標準モデルでは、ニュートリノは私たちの物質世界を構成する基本粒子の 1 つです。ニュートリノの最も注目すべき特徴は、物質とほとんど相互作用せず、透過力が非常に強いため、科学者が実験でニュートリノを検出することが非常に難しいことです。

物質世界を構成する基本粒子は 12 個あり、その中には 6 個のクォーク、3 個の荷電レプトン、3 個のニュートリノが含まれます。

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

ニュートリノは珍しいものだと思われるかもしれませんが、実は私たちの生活のほぼあらゆるところにニュートリノがたくさん存在しています。毎秒3兆個の太陽ニュートリノがあなたの体を通過し、あなたが食べるバナナは常にニュートリノを生成し、人体自体もカリウム40の崩壊を通じて常にニュートリノを生成しています。それで、なぜ気づかなかったのですか?

これらのニュートリノは非常に強い透過力を持っているため、人体をほとんど妨げられることなく通過できるだけでなく、地球や太陽さえも通過することができます。この極めて強い透過力により、ニュートリノは「跡形もなく現れては消える」ため、捕獲するのが難しく、そのためニュートリノは「幽霊粒子」とも呼ばれています。

しかし、科学者たちは迷信を信じず、ニュートリノ実験を通じてこの粒子を検出することを望んでいます。ニュートリノ自体は直接検出できませんが、多数のニュートリノが検出器を通過すると、ごく少数のニュートリノが検出器の作動物質に捕捉され、反応して観測可能な光子を生成する可能性があります。これらの光子は光電子増倍管によって収集され、増幅されます。これは間接的にニュートリノを見るのと同じです。

ニュートリノを検出するのは非常に困難です。現代の大規模なニュートリノ実験では、何万トンもの物質が使用されることが多く、大量の作業用物質が待機状態のまま残されます。幸運にも、多数のニュートリノのうちほんのわずかだけが検出器によって捕捉されます。江門ニュートリノ実験を例にとると、2万トンの液体シンチレータでは、毎日60個の原子炉ニュートリノ、4個の大気ニュートリノ、1個の地球ニュートリノ、90個のホウ素8太陽ニュートリノしか検出できません。これに対し、背景宇宙線は10万個あり、これは検出器を地下700メートルに設置し、宇宙線強度を20万分の1に減らした結果である[3]。

国産江門ニュートリノ実験の実現

ニュートリノの検出は光電子増倍管と切り離せないものであり、特に大型の光電子増倍管はより高い光子検出効率を達成し、科学者が弱いニュートリノ信号を見つけるのに役立ちます。

国際市場では、日本企業が生産する光電子増倍管が独占状態にある。この会社は光電子増倍管製造の分野では実にユニークな会社であると言えます。特に大型の光電子増倍管は、2016年以前は世界で日本企業しか生産能力を持っていませんでした。世界最大の20インチ光電子増倍管の価格は1本あたり3,000ドル。世界で唯一のものなので、購入者は注文するしかありません。

当時、日本のニュートリノ実験「スーパーカミオカンデ」は、国内企業にこうした大型光電子増倍管を１万１０００本以上発注した。光電子増倍管のコストだけでも3,000万ドル以上（当時の為替レートでは2億人民元以上）でした。

20インチの光電子増倍管は目立たず、普通のもので、電球のように見えます。高価ではありますが、その価値はあります。

科学者のニュートリノ実験はこれなしでは実行できません。神岡実験からスーパーカミオカンデ実験まで、光電子増倍管は日本人が2つのノーベル物理学賞を受賞するのに「貢献」しました。一つは2002年に小柴昌俊氏が超新星ニュートリノの発見で受賞したとき、もう一つは2015年に梶田隆章氏らがニュートリノ振動の発見で受賞したときだ。

中国の科学者が2015年に建設を開始した大規模科学施設「江門ニュートリノ実験」では、20インチ光電子増倍管2万本の使用が必要となる。すべてを日本企業から購入するとしたら、非常に大きな出費になります。

実験コストを削減し、少ない資金で素晴らしい結果を達成するにはどうすればよいでしょうか?

大型の光電子増倍管は買うより自分で作った方がお得！

そのため、江門ニュートリノ実験が始まる前に、中国科学院高エネルギー物理研究所の科学者たちはすでに十分な準備を整えていた。

中国の科学者が実験室で20インチの光電子増倍管の開発に成功

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

中国科学院高能物理研究所の主導のもと、中国北方工業集団公司北方夜視、中国科学院西安光学精密機械研究所、中国国家核制御システム有限公司、南京大学からなる協力グループが協力し、高量子効率光電陰極作製技術、マイクロチャンネルプレート、大型ガラスシェル、真空光電子デバイスパッケージング技術など、多くの技術的困難を克服し、最終的に量子効率、収集効率、単一光電子ピークツーバレー比などの主要な技術指標が国際先進レベルに達したサンプル管を開発しました。

この成果により、20インチ光電子増倍管の製造技術に画期的な進歩がもたらされました。新型光電子増倍管は国産化されており、完全な自主知的財産権を有しており、超大型真空装置における国内企業の革新能力と国際競争力を大幅に高めた[4]。

当時の中国科学院高エネルギー物理研究所所長王一芳と光電子増倍管

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

ノーザンナイトビジョン社は、大型光電子増倍管の生産のための特別な生産ラインを確立しました。これらの20インチ光電子増倍管は、江門ニュートリノ実験に使用できるだけでなく、微弱光信号の測定などにも使用できます。たとえば、四川省にある高高度宇宙線観測所 LHAASO でも、宇宙線の検出に Northern Night Vision 社製の 20 インチ光電子増倍管を使用しています。

当社の大型光電子増倍管は、世界最高の光子検出効率を持つ光電子増倍管であり、この分野における国際独占を打ち破り、欧州連合、米国、日本などから特許認可を取得しています。これは、大規模な科学施設を通じて産業技術の進歩を促進するための科学界と産業界の国境を越えた協力の成功例です。今後もこのような成果が期待されます!

参考文献:

1. 光電子増倍管の発明: http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741583.html

2. 光電子増倍管の応用: http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201702/t20170204_4741602.html

3. 曹軍：ニュートリノ研究の歴史と未来、現代物理学知識2015、27(6):4-8。

4. 光電子増倍管製造技術のブレークスルー: http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/11/361915.shtm