与光电倍增管发明有关的史实

原文作者：B.K.Lubsandorzhiev     译者：王晓阳

译注：这是俄罗斯科学院核研究所的B.K. Lubsandorzhiev在《Nuclear Instruments & Methods in Physics Research》发表的“On the history of photomultiplier tube invention”一文。为使行文流畅，我没有非常严格地按照原文翻译，但95%的内容是没问题的。这篇文章以一个俄罗斯人的角度讲述了一个未被西方学界广泛承认的物理学家库别茨基在光电倍增管发明上的原创贡献。

摘要：在这篇短文中，我们将回顾发明光电倍增管过程中的一些重要史实。本文是我们对伟大的苏联物理学家和工程师列昂尼德·库别茨基的纪念与致敬。我们简单地介绍了他的生平和科学成就，但费了一番特别的功夫来澄清一个有争议的事件：谁最先发明了光电倍增管？ 可以肯定，如果人们意识到了库别茨基在光电倍增管发明上的优先性，那么上次的博讷会议就会在光电倍增管发明75周年的前夕召开。

引言：光电倍增管是使用最为广泛的真空电子器件。在空间科学、考古学、医学、地质学、生物学、艺术、天文学、冶金学、化学和农学等领域都有它的身影。完全可以说，它无处不在。物理实验，特别是高能物理实验和宇宙粒子物理实验，是使用光电倍增管的大户。更进一步说，过去40年在光电倍增管开发上的重大成就已为接下来的物理实验提供了更高的要求。然而一个问题是：谁发明了这个了不起的东西？

第一个光电倍增管

1930年8月4日，苏联物理学家和工程师库别茨基提出了可以几十万倍地放大微弱光电流的新方法和新器件。这个新器件有一个光电子源（光电阴极）和一系列电子发生器（倍增电极），并且每一级电子发生器的放大系数（σ）是一致的，即等比放大。来自于光电阴极的光子被加速后击打到第一个电子发生器上，使得这个电子发生器被敲出几个电子。这几个电子被加速后击打到下一个电子发生器上，更多的电子从这个发生器上被敲出，如此重复。在这个器件里可以安置任意多个电子发生器，从最后一个电子发生器上发出的电子流被阳极收集， 其所含的电子总数可达σⁿ个， n代表电子发生器的数量。

1933年至1934年间，库别茨基开发出多种以银-氧-铯材料做成的光电阴极和环状电子发生器（也是由银-氧-铯材料做成的）的光电倍增管。这些环状电子发生器含有汇聚电子的永磁体（图1）。 在当时，其放大倍数可达10³-10⁴倍。整个30年代，这种光电倍增管在苏联被叫作“库别茨基管”。所以，第一个光电倍增管是苏联人库别茨基于1930年8月4日发明的。有意思的是，最近一次的以光探测的新技术为主题的博讷会议在光电倍增管发明75周年纪念日的前一个月召开了。这真是象征性的巧合！

光电倍增管发明所属权的争议 

让人不解的是，在物理学界，时至今日，很多西方学者仍坚信光电倍增管是由Zworykin等人在1936年发明的。在英语科学文献中，丝毫没有提及库别茨基的名字。下面是几个例子：

“如果没有利用一连串电子发生器来连续放大电子流这个想法，光电倍增管的发明将会很难。很早就与这个想法联系在一起的一个名字叫Slepian（工作在美国的俄国人）， 他获得了利用多级磁性倍增电极来充当阴极射线管的阴极。另一些与这类放大方法有关的人名包括P. T. Farnsworth，H. Iams，B.Salzbergs和G. Weiss等。 1934年，为了弄明白阴极射线管的显像原理，在Zworykin（工作在美国的俄国人）的领导下，一组研究人员对阴极射线管进行了一系列研究。1936年，Zworykin，Morton和Malter 发表了一篇论文，文中讨论了这些早期的倍增电极，描述了第一个真正成功的磁性汇聚倍增极……”。

“1936年，来自美国无线电公司的Zworykin，Morton和 Malter报道了多级光电倍增电极”。

“1936年，Zworykin等研发出了含有多级倍增电极的光电倍增管”。

“第一个光电倍增管1936年出自于美国无线电公司的实验室……”。 

到目前为止，我们在英语科学文献中只看到一条明确承认库别茨基最先发明光电倍增管的记录：“……到了1930年代，当库别茨基在1930年制成了第一个可将非常微弱的电子流放大10³-10⁶倍的光电倍增电极时，人们还没有意识到它是否有重要的应用价值。库别茨基的结果先是被美国（1934年）注意到了，后来也被德国和英格兰注意到了”。（严格地讲，这段英语科学文献还是我从Summer的俄语书里翻译成英语的）

Ambrosio和Leutz在他们关于混合式光电二极管的漂亮综述里提及了库别茨基，但没有直接地将库别茨基和光电倍增管的发明联系起来：“在1936年至1937年间，Zworykin等人和库别茨基实现了利用金属板发射二次电子的方式放大电子信号”。

所以，我们想要强调某些在俄国已被广泛认同的历史事实来说明这个有争议的事件。1934年9月，Zworykin（如前，工作在美国的俄国人）在苏联进行宣传美国无线电公司的产品的商业访问。他在莫斯科和列宁格勒（今圣彼得堡）听了几场科学报告，并且参观了库别茨基在列宁格勒的实验室。库别茨基向他演示了他的光电倍增管。Zworykin对这个光电倍增管的印象极深，并且他自己操作了这个光电倍增管，确定了它的确可以将电子流放大到1000倍以上。大量的证据（见参考文献11-14）可以佐证Zworykin参观库别茨基的实验室并操作库别茨基的光电倍增管这一事实。

Zworykin回到美国后，在一家柏林酒店用信纸画出了光电倍增管的草图，图上落笔的日期是1934年9月18日，这张图现在保存在David Sarnoff的档案中。这是迄今我们能找到的Zworykin首次提及光电倍增管的证据。Zworykin实验室最早的关于光电倍增管的实验记录的日期是1934年11月22日。最后，1936年Zworykin和他的同事发表了他们的著名论文，这篇论文被西方学者认为是光电倍增管发明史的起点。只需一瞥，你便知道Zworykin的光电倍增管和库别茨基的是多么地像：都是用磁来汇聚电子。

列昂尼德·库别茨基其人

列昂尼德·库别茨基1906年7月12日出生于皇村（今圣彼得堡普希金市）的一户贫穷的牧师家庭。那个时代正是俄国历史上的动乱时期，充满了苦难与物资缺乏。然而库别茨基以优异的成绩从高中毕业，并且由于他在研究方面的杰出表现被推荐允许不参加升学考试而入读任何一所大学。

1923年，库别茨基入读于彼得格勒大学（今圣彼得堡国立大学）物理数学系。那段时间，为了生存，他不得不在学习的同时做一些电工活来维持生计。他对正式的课堂教学并不十分满意，1925年，他转学到著名的列宁格勒理工学院电机系并仍以当电工维生。在那里，他开始在低电流电机工程方面做工作。1929年，他开发出含有加热阴极和受控电极的气体放电的装置。1930年，还是学生的他就做出了光电倍增电极。几乎同时，他还开发出来用于电视的阴极发射子和光学麦克风。前者是后来Farnsworth开发出来的电视显像管的原型。

1931年，库别茨基毕业后就职于列宁格勒电子物理所，后面的一些年他都在列宁格勒和莫斯科的物理所继续他的光电倍增管方面的研究，他开发出了新的电子倍增系统和真空器件。特别值得一提的是他用光电倍增管做出的发现，比如他在1939年探测到暗夜中的红外辐射。此外，他在光电摄像管及其他真空器件的开发上也做出了重要的贡献。他还贡献了图像和波谱的超对比度转换方法，超对比度精微结构分析方法等。

不幸的是，在他生命的最后几年里他饱受健康问题的困扰，尤其是他在1948年做了一次大手术后。库别茨基逝世于1959年9月22日，年仅53岁。他葬于莫斯科的一座公墓里。

结论

我们并不是要动摇Zworykin在光电倍增管方面的贡献，事实上他也是从俄国走出去的科学家。我们没有权利也不会这么做。但我们将永远不会知道为什么库别茨基的名字泯没于西方物理学界。好在这不是以前的时代和世界了，铁幕已落下，是时候向伟大的物理学家和工程师库别茨基致敬并还他一个公正的历史评价，是时候承认他最早发明了光电倍增管。今日，我们欣喜地看到，库别茨基对光电倍增管的贡献催生出不少重要的科学和技术分支。

参考文献

1.  Author’s certificate #24040, priority 4 August 1930.

2.  Problemy vtorichnoy emissii. Radiofront, 1936, 7, 13.

3.  V.K.Zworykin, G.A.Morton, L.Morton. Proc. IRE. 1936, 24, 3, 351.

4.  G.A.Morton. The scintillation counter story. Part II. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1975. NS-22. 26.

5.  BURLE, Photomultiplier Handbook, Theory, Design, Application.  

6.  HAMAMATSU Photomultiplier Tubes, HAMAMATSU Photonics K.K. 1994.

7.  D.Renke. Nucl. Instrum. and Meth. A 527 (2004) 15-20.

8.  W.Summer. Photosensitors. A treatise on photo-electric devices and their  application to industry. London, Chapman and Hall Ltd., 1957.  

9.  W.Summer. Fotoelementy v promyshlennosti. Gosenergoizdat, Leningrad 1961. Ed. by

N.S.Khlebnikov. P.72 (In Russian).

10.  C.D’Ambrosio, H.Leutz. Nucl. Instrum. and Meth. A 501 (2003) 463-498.  

11.  N.V.Dunayevskaya, V.A.Urvalov. Leonid Aleksandrovitch Kubetsky. Leningrad Nauka 1990.

12.  V.P.Borisov. Vladimir Kozmich Zworykin. Moscow Nauka 2002.

13.  Problemy vtorichnoy emissii. Radiofront, 1936, 7, 13.

14.  L.A.Kubetsky. Proc. IRE, 1937,25, 4, 421.

15.  Archive of David sarnoff Res. Co.

16.  Author’s certificate #26762, priority 1929.

17.  Author’s certificate #85196/5773, priority 1931.

18.  Author’s certificate #21273, priority 1931.

19.  I.A.Khvostikov. UFN 1947, 33, 4, 572.