■小溪/文
■曹俊、錢森/審校
如同很多發源於基礎研究的科學技術一樣，19世紀30年代源於物理基礎研究的光電倍增管，經歷了100多年的發展之後，已成為具有數百個品種的龐大家族，在各個領域都有著極為廣泛的應用，對社會的科技及經濟發展做出了具有重要戰略意義的貢獻。光電倍增管與我們的日常生活息息相關，它的身影無處不在。
漆黑的環境中，如果有極微弱的光幽靈似地閃一下，人的眼睛有可能什麼都沒看到，而如果是紫外或近紅外光譜區域的微弱光信號閃過，人的眼睛就更無法識別了。可神奇的光電倍增管卻能靈敏、快速地捕捉到這些極微弱的光信號，將其轉換成電信號，並以驚人的電子倍增能力輸出，以便能準確地對這些極微弱光信號的屬性作出判斷，難怪人們把光電倍增管稱為捕捉幽靈的獵眼。
正因光電倍增管具有獨特的高靈敏度、高響應速度等優勢，自19世紀30年代問世至今已發展成為具有數百個品種的龐大家族。以入射光形式劃分可分為端窗式和側窗式等；以探測光譜區域劃分可分為紫外、可見光、近紅外等；以倍增方式劃分可分為打拿極型、微通道板型、半導體型和混合型等；以外形劃分可分為球形和圓柱形以及方形等；以陽極輸出形式劃分可分為單陽極和多陽極等；以聚焦方式劃分可分為靜電聚焦和近貼聚焦型等等。不同的結構組成，有著不同的參數特性和環境性能，實際應用時可根據不同的用途需求進行科學的配置。
各類光電倍增管（日本濱松公司）（圖片來自網絡）
光電倍增管在各個領域都有著極為廣泛的應用，它與我們的日常生活息息相關，它對社會的科技及經濟發展具有重要的戰略意義，讓我們看看它無處不在的身影。
高能物理與天體粒子物理學實驗領域是光電倍增管應用的主要領地，這方面的例子太多了，例如：
加拿大薩德伯裡天文臺的中微子探測器位於安大略省薩德伯裡附近深2100米的一個礦井裡。探測器整個浸泡在30米高的裝滿普通水的圓柱形容器中，其主要部分是一個直徑12米的球形容器，裡裝1000噸重水，容器周圍安裝了約9600隻直徑8英寸的光電倍增管，用於探測中微子發生反應後在水中產生的切連科夫輻射。
2001年6月，薩德伯裡天文臺發表測量結果，表明太陽中微子在到達地球途中，在三種不同「味」的中微子之間發生了相互轉化，即中微子振蕩，這一結果同時表明中微子是有質量的，而不是粒子物理學的標準模型中所預言的零質量粒子。加拿大女王大學的麥克唐納因此獲得了2015年諾貝爾物理學獎。
加拿大薩德伯裡天文臺中微子探測器的光電倍增管陣列（圖片來自網絡）
日本的超級神岡探測器位於神岡附近一個深1000米的廢棄砷礦中，主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，容器內裝有5萬噸高純度水，內壁安置了約11200隻20英寸光電倍增管，用於探測中微子發生反應後在水中產生的切連科夫輻射，以及1900隻朝外的8英寸光電倍增管，用於探測宇宙線。1998年，超級神岡憑藉測量大氣中微子的比例發現了中微子振蕩現象，東京大學的梶田隆章教授因此榮獲了2015諾貝爾物理學獎。
超級神岡實驗的前身——神岡實驗採用了3千噸水和1000支20英寸光電倍增管，首次探測到了超新星中微子，梶田隆章的導師小柴昌俊因此獲得了2002年諾貝爾物理學獎。
日本超級神岡中微子探測器的光電倍增管陣列（圖片來自網絡）
大亞灣中微子實驗位於廣東深圳大亞灣核電站內，在距反應堆360米到1900米的山腹中設立了三個實驗站，放置了8個110噸重的中微子探測器。每個探測器的內壁裝有196個8英寸光電倍增管，用來探測中微子在液體閃爍體中發出的閃爍光。2012年大亞灣實驗發現中微子振蕩的新模式，獲得美國基礎物理學突破獎和2016年中國國家自然科學一等獎。
中國大亞灣中微子實驗中心探測器的光電倍增管陣列
除了高能物理與天體粒子物理實驗研究領域，目前，光電倍增管已成為多種精密測量儀器的核心器件，廣泛應用於高精度要求的光度測量，包括冶金、電子、機械、化工、地質勘探、醫療、生物醫藥、生命科學、核工業、環境監測、軍事及反恐等領域。以下介紹的是一些比較典型的例子：
醫學診斷常用的【X光機】中就有光電倍增管的身影。如何才能自動控制膠片的X光曝光量呢？在X光到達膠片之前，用一個含有磷的屏幕將X光轉換成可見光，用光電倍增管接收這個光信號，設定信號積分值達到預定標準時給出信號，可及時切斷X光源，保證膠片得到準確的曝光量，這個裝置被稱為X光時間計。
醫用X光機（圖片來自網絡）
醫學診斷用的正電子發射斷層掃描儀（PET）基於一種可顯示生物分子代謝、受體及神經介質活動的新型影像技術。檢查時將某種生命代謝中不可缺的物質，如：葡萄糖、蛋白質、核酸或脂肪酸標記上短壽命的放射性核素注入人體。短壽命放射性核素在衰變過程中釋放出正電子，而正電子在行進的極短距離內（十分之幾毫米至幾毫米）即可遇到一個電子發生湮滅而產生一對光子。儀器中的光電倍增管（或者其它替代的光電探測器件）能靈敏地捕捉到產生的光子，由計算機進行數據處理後可得到受檢體的放射性示蹤劑分布圖，廣泛用於多種疾病的診斷與鑑別診斷、病情判斷、療效評價等方面。
正電子發射斷層掃描儀（圖片來自網絡）
20世紀80年代發展起來的【雷射掃描共聚焦顯微鏡】是先進的細胞生物學分析儀器。它在螢光顯微鏡成像的基礎上加裝了雷射掃描裝置，如果樣品中有可被激發的螢光物質，受到激發後發出的螢光信號經聚焦後由光電倍增管收集並輸送到計算機進行圖象處理，從而得到比普通螢光顯微鏡更高解析度、更高靈敏度的細胞或組織內部微細結構的螢光圖象。
雷射掃描共聚焦顯微鏡不僅可觀察固定的細胞、組織切片，還可對活細胞的結構、分子、離子進行實時動態地觀察和檢測，進行細胞形態定位、立體結構重組、動態變化過程等研究，在生物學、醫學、高分子材料、生物化學、膠體化學等眾多研究領域有著廣泛的應用。
雷射掃描共聚焦顯微鏡（圖片來自網絡）
雷射掃描共聚焦顯微鏡得到的圖象（圖片來自網絡）
【血細胞分析儀】是醫院臨床檢驗應用非常廣泛的儀器之一。近些年，血細胞分析的技術從三分類（包括中性分葉細胞、淋巴細胞、單核細胞）轉向五分類（即再加上嗜酸性粒細胞、嗜鹼性粒細胞）。分析儀採用的是光散射檢測的先進技術，用雷射照射用螢光物質標定後的細胞，細胞受照射後產生的螢光、散射光用光電倍增管接收，根據輸出的信號可對特定的細胞進行選別。
血細胞分析儀（圖片來自網絡）
石油勘探離不開【石油測井儀】。通常用電纜將測井儀的測量探頭送入井中，而探頭內置有放射源、光電倍增管及閃爍體。閃爍體是一種吸收高能粒子或射線後能夠發光的材料，有了閃爍體相助，用光電倍增管將放射源被散射的部分以及地質結構中的自然射線收集、放大。探頭在井中對地層的各項物理參數進行連續測量，所測得的數據經處理後即得到相關地層的巖性、孔隙度、滲透率及含油飽和度等重要參數，用以判斷油井周圍的地層類型及密度，確定石油沉積位置以及儲量等。
石油測井示意圖（圖片來自網絡）
光電倍增管在軍事上的用途十分廣泛，例如：
軍用飛機和火箭排放的尾煙中一般含有200～320納米範圍的紫外光，利用此光譜範圍的光電倍增管可準確地探測到空中目標排放的紫外光並進行制導。據媒體報導，早在1991年的海灣戰爭中，投入戰鬥的美國軍用飛機已裝備了配有新型光電倍增管的【紫外線報警器】。
隨著國際反恐鬥爭形勢的日益嚴峻，為保障人民安全，儘快探測與識別恐怖主義者使用的有害化學物質並確定其汙染範圍有著極為重要的意義，【火焰光度計】就是一種靈敏、高效的化學探測設備。這種儀器主要探測含硫、磷的有毒化合物，當受檢空氣進入檢測室後，在一定的火焰溫度下磷和硫會發射出特定波長的光，經光電倍增管轉換成電信號後得到檢測結果。典型的神經性毒劑都含磷、硫元素，芥子氣含有硫元素，用火焰光度探測器很容易探測到。
氮氧化物是一種大氣汙染物，它的產生及化學行為與酸雨、霧霾、臭氧層的破壞和溫室效應等重大環境問題密切相關。當氮氧化物濃度超過一定的域值時其危害非常顯著，因此，必須對城市氮氧化物的排放量進行嚴格的監控。
大氣中的氮氧化物主要以一氧化氮和二氧化氮的形式存在，主要來源於石化燃料高溫燃燒和硝酸、化肥等生產排放的廢氣，以及汽車尾氣。一氧化氮本身毒性不大，但在大氣中易被氧化為對人體極為有害的二氧化氮。監測大氣中氮氧化物排放量的有效工具是【氮氧化物檢測儀】。該儀器基於一氧化氮與臭氧發生氣相發光反應的原理，氣樣中的一氧化氮與臭氧在反應室中發生反應，產生的光子經反應室端面上的濾光片獲得特徵波長的光射到光電倍增管上，光信號轉換成與氣樣中二氧化氮濃度成正比的電信號，再經放大和處理即可給出二氧化氮含量的測量結果。
監測空氣品質還需測定懸浮粉塵或粒子的密度。空氣中的微粒在光的照射下會發生光散射，光散射與微粒大小、光波波長、微粒折射率及微粒對光的吸收特性等因素有關。微粒散射光的強度隨微粒的表面積增加而增大，只要測定散射光的強度就可推知微粒的大小。光散射式的【塵埃粒子計數器】就是基於這個原理來測量環境中單位體積內的塵埃粒子數和粒徑的分布。實際上，每個微粒產生的散射光強度非常弱，需通過光電倍增管的放大，把微小的光信號轉化為幅度較大的電信號，再經電子線路的進一步放大和甄別才能完成對大量微粒的計數與微粒大小的測定。
塵埃粒子計數器（圖片來自網絡）
塵埃粒子計數器還廣泛應用於藥檢所、血液中心、防疫站、疾控中心、質量監督所等機構，以及電子行業、製藥車間、半導體、光學或精密機械加工、塑膠、噴漆、醫院、環保、檢驗所等生產企業和科研部門。
監測水的質量就要用到【濁度計】了。濁度，即水的渾濁程度，由水中含有的微量不溶性懸浮物質、膠體物質所致。濁度計發出的平行光穿過水樣品，如果水中無任何懸浮顆粒存在，光束在直線傳播時不會改變方向；若水中含有懸浮顆粒，光束在遇到顆粒時就會改變方向形成散射光，顆粒愈多（濁度愈高）光的散射就愈嚴重。濁度計中的光電倍增管將光信號轉化為電信號，然後通過測定透射、散射和入射光的光強度，或以透射光強與散射光強的比值來表示水樣的濁度。濁度計一般用於自來水廠的出水口、自來水管網末端等關鍵位置的檢測。
水質濁度計（圖片來自網絡）
工業生產中常見要對某些物體，例如紙張、塑料、鋼材等進行厚度檢測，這可通過非接觸式的【射線測厚儀】來實現。閃爍體與光電倍增管置於探頭之內，射線打到閃爍體上會產生脈衝光，稱為閃爍效應。光電倍增管可以將閃爍體中產生的光信號轉換成電信號，經數據處理後給出所測物體的厚度值。
被檢測物的屬性不同，所用測厚儀的放射源類型也不同。β射線源適用於橡膠、塑料、紙張等低密度物質檢測，γ射線源適用於鋼板等高密度物質檢測，電鍍鍍膜的厚度可用X射線螢光光度計檢測及控制。
X射線測厚儀（圖片來自網絡）
現代光電設備的核心部件——半導體晶片的缺陷檢查、掩膜錯位等在製作工藝中有極為重要的意義。檢查半導體晶片缺陷的裝置就是【晶片測試儀】，這類儀器由光電倍增管收集雷射照射晶片後所產生的散亂光，以發現晶片的塵埃、汙染、缺陷等。
半導體晶片檢測（圖片來自網絡）
日常生活中彩色圖片印刷所需的【電子分色機】中也缺不了光電倍增管。彩色圖片印刷前需要用分色機進行顏色的分色掃描，分解成三原色（紅、綠、藍）和黑色。分色機可進行光點分色掃描，由機中的光電倍增管將掃描的光信號轉換成電信號輸入計算機，對色彩信息進行色彩校正，層次校正等處理後，再進行電光轉換得到光信號，將原稿的圖象信息記錄到感光軟片上製成分色片，然後才能開始印刷的下一個步驟。
印刷電子分色儀（圖片來自網絡）
以上列出的只是光電倍增管應用領域中的極小部分。如同很多發源於基礎研究的科學技術一樣，源於物理基礎研究的光電倍增管，經歷100多年的發展之後竟在如此廣泛的領域得到了應用，真令人驚嘆！
隨著技術的發展，在一些應用中，光電倍增管被更小巧、更方便的半導體探測器所取代，然而在大面積探測、單光子水平的高靈敏度探測上，光電倍增管仍然具有無法取代的優勢。
1、人類眼睛極限：能感知單個光子，http://news.mydrivers.com/1/493/493288.htm
2、光電倍增管的應用領域，http://blog.sina.com.cn/s/blog_50e3d7aa010168gf.html
3、光電倍增管的技術及發展現狀，
http://wenku.baidu.com/view/928c9b1fe518964bcf847cc4.html?from=search
4、光電倍增管研究進展及應用，http://www.doc88.com/p-6087025330589.html
5、超震撼實拍中微子觀測站，
http://www.08kan.com/gwk/MTg1MjI3MzY2MQ/213138892/2/25572aefddabefa72d4511d5244ad8ca.html
6、窺視太陽心靈，http://www.ruanman.net/articles/12109.html
7、紅外夜視儀的原理結構，
http://jingyan.baidu.com/article/17bd8e52119ffd85ab2bb896.html
8、雷射共聚焦掃描顯微鏡簡介，
http://www.tjmuch.com/system/2013/03/21/011129059.shtml
9、國內石油勘探飛躍發展，http://mt.sohu.com/20160419/n445009590.shtml
10、半導體廠商如何做晶片的出廠測試？http://archive.ednchina.com/bbs.ednchina.com/FORUM_POST_14_537071_0.HTM
1、神奇的光電效應竟然是個意外發現
2、誰最早發明了光電倍增管？