闪烁体与光电倍增管(scintillator and photomultiplier)
/ PMT = pee-em-tee /
有些材料在粒子穿过时会微微发光——一闪即逝、暗淡到肉眼根本看不见。难题在于如何捕捉这一缕微光,并把它放大成一个可用的电信号。闪烁体与光电倍增管的搭配,把这两半都解决了:闪烁体是把粒子能量变成微小一闪光的材料,光电倍增管则是探测这一闪光、并把它倍增成可测量脉冲的装置。
下面是这条链路的细节。当一个带电粒子(或一个中性粒子相互作用的产物)在闪烁体——一种特殊的塑料或晶体——中沉积能量时,材料的原子吸收这份能量,并随即把它作为一道短促的可见光脉冲重新发出,沉积的能量越多,发出的光越多。这道光被导向一支光电倍增管。在管内,光先击中一个表面、打出几个电子(光电效应);这些电子随后被加速、撞向一系列叫倍增极的带电极板,每块倍增极又撞出更多电子,于是寥寥几个在级联中变成几千、再变成几百万个。结果是一个大到足以读出的电脉冲,其大小反映原始的能量,其时刻能被测量到十亿分之几秒的精度。
这一组合是这个领域里最古老、也最通用的工具之一,以速度快、灵敏度高而备受珍视。它支撑着快速触发系统、飞行时间测量,以及许多量能器——量能器常用闪烁体把簇射能量转化为光。像超级神冈那样的中微子探测器,内壁排布着浩瀚成片的光电倍增管,去捕捉罕见相互作用发出的微弱切伦科夫闪光。现代的变体越来越多地用紧凑的硅光电倍增管取代笨重的真空管式光电倍增管,但核心思想不变:把能量变成光,再把那道光放大到足以清点。
一个进入光电倍增管的光子,可以撞出一个电子,而那一连串倍增极把它变成一个由数百万个电子组成的脉冲——足以让探测器记录下基本上是一个光量子的到来,并把它的时刻测准到优于一纳秒。
能量变成一闪光;一闪光变成可清点的脉冲。
闪烁体负责产生光,光电倍增管负责放大光;二者单独都不构成完整的探测器。如今现代的硅光电倍增管常常取代经典的真空管。