一則“國內(nèi)首條具有自主知識產(chǎn)權(quán)的20英寸新型光電倍增管生產(chǎn)線建成運行”的報道引起了很多人的關(guān)注與好奇。報道介紹：“光電倍增管是檢測微弱光信號的光電元件，具有極高的靈敏度和超快的時間響應(yīng)，就像獵手敏銳的眼睛。” 

　　什么是光電倍增管？

　　光電倍增管（Photo Multiplier Tube，簡稱PMT）是一種應(yīng)用十分廣泛的真空電子器件，它的神奇之處是能地將極微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，并獲得驚人的電子倍增能力。

　　由中國科學院高能物理研究所牽頭，北方夜視技術(shù)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(tǒng)股份有限公司和南京大學等組成產(chǎn)學研合作組聯(lián)合研發(fā)的20英寸新型光電倍增管

　　時至今日，幾乎在每一種科學實驗研究，包括空間研究和考古、醫(yī)學和地質(zhì)學、生物學和藝術(shù)、天文學和冶金、化學和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有光電倍增管的身影，尤其在高能物理與天體粒子物理學實驗領(lǐng)域，已完全離不開光電倍增管了。

　　中國大亞灣中微子實驗探測器部分8英寸光電倍增管陣列，用于探測被稱為幽靈粒子的中微子俘獲時發(fā)出的光信號

　　日本神岡Super-Kamiokande探測器20英寸光電倍增管陣列（11200個光電倍增管組成），1998年間接驗證了中微子振蕩效應(yīng)，東京大學小柴昌俊教授2002年獲諾貝爾物理學獎（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　令人感興趣的是具有如此奇特功能的光電倍增管是誰發(fā)明的呢？這個問題的答案是有些爭議的。光電倍增管的發(fā)明可以追溯到20世紀的30年代，由于光電倍增管的工作原理結(jié)合了光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射兩項科學發(fā)現(xiàn)，回顧一下這兩項科學發(fā)現(xiàn)的歷史可能有助于我們得出答案。

　　1　光電效應(yīng)

　　光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者是德國物理學家海因里希?赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）。1886年12月，他在實驗中意外發(fā)現(xiàn)：紫外線照射到金屬表面時，能使金屬發(fā)射帶電粒子電流，這種奇特的現(xiàn)象后來被稱為光電效應(yīng)。

　　海因里?！ず掌潱▓D片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　1902年，德國物理學家菲利普?萊納德（Philipp Eduard Anton von Lénárd）對產(chǎn)生光電效應(yīng)過程中各相關(guān)物理量間的關(guān)系進行研究時發(fā)現(xiàn)了一個重要規(guī)律：光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子數(shù)目隨入射光的強度增加而增加，但光電子的速度，或者說它們的動能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強度無關(guān)。這個實驗結(jié)果用經(jīng)典物理學完全無法解釋。

　　菲利普·萊納德（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）　　

　　1905年3月，猶太裔物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，極具想像力地運用相對論和光量子理論解釋了萊納德光電效應(yīng)實驗的結(jié)果，列出了光電方程式。但因沒有直接的實驗數(shù)據(jù)支持，他的這個理論解釋那時并沒有得到學術(shù)界的支持。

　　阿爾伯特·愛因斯坦（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　美國物理學家羅伯特·密立根（Robert Andrews Millikan）經(jīng)過10年的實驗，1916年以他精湛的實驗結(jié)果證實了愛因斯坦的理論完全正確（其實他原本的意圖是想用實驗證明愛因斯坦的理論解釋有誤）。

　　羅伯特·密立根（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）　　

　　2　二次電子發(fā)射

　　二次電子發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者是美國物理學家路易斯·奧斯?。↙ouisWinslow Austin），他與同事斯塔克（Starke）在研究高溫氣體的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)：當具有一定能量或速度的電子轟擊金屬表面時，會引起電子從被轟擊的金屬表面發(fā)射出來，這種現(xiàn)象被稱為二次電子發(fā)射，他們的實驗結(jié)果1902年發(fā)表在德國的《物理年鑒（Annalen der Physik）》上。

　　路易斯·奧斯?。▓D片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　二次電子發(fā)射的原理與光電效應(yīng)的電子發(fā)射原理基本上相同，都是原子的外層電子受到激發(fā)后獲得足夠的動能，從而脫離金屬表面的勢壘成為自由電子，不論入射的是電子還是光子，其能量都必須大于金屬的逸出功。

　　但是，還有一點極為重要，二次電子發(fā)射與光電效應(yīng)的電子發(fā)射之間又有著極大的不同：一般情況下的光電發(fā)射，大約10個光子能激發(fā)出一個電子，而二次電子發(fā)射，則有可能一個電子激發(fā)出2~10個電子，具有放大電流的功能，這就是光電倍增效應(yīng)。

　　光電倍增效應(yīng)示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　正是這個倍增效應(yīng)使極微弱光的探測成為可能，在基礎(chǔ)研究及日常生活中有極為廣泛的應(yīng)用需求。 

　　3　光電管與光電倍增管

　　基于外光電效應(yīng)（在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射）可制成光電管（phototube），將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。典型結(jié)構(gòu)的光電管是將球形的玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極，光電子在帶正電的陽極的作用下運動，構(gòu)成光電流。

　　典型結(jié)構(gòu)的光電管示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）　　

　　若將惰性氣體充入玻璃殼內(nèi)就稱為充氣光電管，光電子在飛向陽極的過程中將與氣體分子碰撞而使氣體電離，這樣便可增加光電管的靈敏度。

　　光電管根據(jù)不同波段光信號的需要，可選用不同金屬材料制作光電陰極，如堿金屬、汞、金、銀等。光電管因靈敏度低，無法滿足高精度的實驗需求，后來被半導(dǎo)體光電器件取代。

　　光電倍增管與光電管的構(gòu)造不同，它由附著在輸入光窗內(nèi)表面的光電陰極、單級或多級電子倍增系統(tǒng)和接收信號的陽極組成。光電倍增管的陰極與陽極之間設(shè)置了單個或多個電位逐級上升并能產(chǎn)生二次電子的電極，稱為倍增電極或打拿極（處在陽極（anode）和陰極（cathode）之間的dynode音譯為“打拿”）。

　　光電倍增管示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　光電陰極將入射的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，從光電陰極逸出的光電子在外加電場的作用下，經(jīng)過聚焦、匯聚在打拿極，通過碰撞打拿極表面的二次電子發(fā)射材料，輸出放大成為電子流，經(jīng)過多次倍增形成較大的光電流信號被陽極接收并輸出，進入后續(xù)電路供分析研究。正因如此，光電倍增管具有比光電管高得多的靈敏度。

　　4　誰最早發(fā)明了光電倍增管？

　　光電倍增管的工作原理是清晰的，早在1902年就發(fā)現(xiàn)了二次電子發(fā)射現(xiàn)象，可真正制作出能用的光電倍增管卻是在多年之后。最早發(fā)明光電倍增管的是誰呢？網(wǎng)上的資料大多敘述為：第一只光電倍增管由美國無線電公司（Radio Corporation of America，簡稱RCA）發(fā)明，1936年首次成為商用產(chǎn)品。

　　絕大部分資料是這樣介紹的：

　　最先將二次電子發(fā)射用于信號放大的設(shè)想是俄籍物理學家約瑟夫?斯萊皮恩（Joseph Slepian）提出的，1919年，他將相關(guān)技術(shù)向美國西屋電氣（Westinghouse Electric）申請了專利（Hot Cathode Tube），這項技術(shù)后來才被廣泛應(yīng)用于光電倍增管的制作（斯萊皮恩可是一位專利達人，他竟擁有204項美國西屋電氣的專利）。

　　約瑟夫·斯萊皮恩（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　斯萊皮恩1919年申請的專利（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　1935年，美國無線電公司的哈雷?伊阿姆斯（Harley Iams）與貝納德?扎爾茨貝格（Bernard Salzberg）在《Proceedings of the IRE（最古老的IEEE期刊）》上發(fā)表了題為“The secondary emission phototube”的文章，介紹了他們利用二次電子發(fā)射制成的單級光電倍增管。

　　1936年，在美國無線電公司任職的俄籍物理學家弗拉基米爾?茲沃雷金（Vladimir Kosmich Zworykin）等人在《Proceedings of the IRE》期刊上發(fā)表了題為《The Secondary Emission Multiplier-A New Electronic Device》的文章，介紹了他們使用銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極、有多個打拿極的實驗用光電倍增管。這個光電倍增管在800納米獲得了0.4%的量子效率（光陰極發(fā)射出來的光電子數(shù)量與入射光光子的數(shù)量之比）。

　　由此，美國無線電公司認為茲沃雷金是發(fā)明光電倍增管的第一人。

　　弗拉基米爾·茲沃雷金（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　1936年還有一項重要進展，P. Gorlich在第101卷《Physik》期刊上發(fā)表文章指出：使用銫銻材料光電陰極的光電倍增管在400納米獲得了12%的量子效率，性能有了顯著改善。美國無線電公司將這種材料用于光電陰極和提供二次電子發(fā)射的打拿極，成功地制作出了第一個商業(yè)用光電倍增管。

　　至此，光電倍增管的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)是否算是很清楚了？人們不禁產(chǎn)生疑問：從1902年至1936年的時間跨度這么大？難道這期間相關(guān)的技術(shù)一直沒有進展么？

　　還是需要再仔細查查資料。

　　俄羅斯科學院核研究所的B.K. Lubsandorzhiev，2006年在《Nuclear Instruments & Methods in Physics Research》期刊上發(fā)表了題為“On the history of photomultiplier tube invention”的文章，披露了一些鮮為人知的細節(jié)。文中介紹：

　　1930年8月，24歲的列昂尼德?庫別茨基（Leonid Aleksandrovith Kubetsky）還未從物理技術(shù)研究所畢業(yè)，但他已有多項研究成果。他利用光陰極以及連續(xù)設(shè)置的打拿極制作成能成百上千倍增強弱光電流的器件，被稱為“庫別茨基管”。實際上，這就是世界上第一個光電倍增管。

　　列昂尼德·庫別茨基（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　1931年，庫別茨基從研究所畢業(yè)后開始在列寧格勒電子物理研究所工作。1933 - 1934年期間，庫別茨基陸續(xù)研制出多個以銀氧銫（Ag-O-Cs）作為陰極與打拿極材料的光電倍增管。因當時光電倍增管的靜電電子光學技術(shù)所限，管子總增益為103 - 104。在那個年代，“庫別茨基管“在前蘇聯(lián)已很有名氣了。

　　庫別茨基管（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　這里有一個最重要的細節(jié)：

　　1934年9月，在美國無線電公司供職的茲沃雷金為推銷公司的產(chǎn)品到前蘇聯(lián)訪問。他在莫斯科和列寧格勒演講，并在訪問期間參觀了庫別茨基在列寧格勒的實驗室。庫別茨基向客人們展示了他發(fā)明的有多個打拿極的“庫別茨基管”，茲沃雷金對能放大1000多倍實驗信號的“庫別茨基管”印象極為深刻。

　　回到美國后，茲沃雷金勾畫了一張光電倍增管的草圖，用的是柏林酒店的信紙，日期是1934年9月18日（此圖保存在一份檔案中）。這是茲沃雷金第一次提及光電倍增管。從茲沃雷金實驗室的記錄可知，實驗室日報首次提到光電倍增管是在1934年11月22日。1936年，茲沃雷金與他的同事在《Proceedings of the IRE》期刊上發(fā)表了前述的那篇文章。

　　至此，已大致清楚究竟誰是光電倍增管真正的第一發(fā)明人了，可惜的是列昂尼德?庫別茨基發(fā)明光電倍增管時沒有在權(quán)威的期刊上發(fā)表文章，但他不應(yīng)被歷史遺忘。