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地下2400米的实验室:在“世界最深处”探寻物理奥秘

来源:科技日报2019-09-16 08:44
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  把实验室建在2400米的地下图个啥

  ——在“世界最深处”探寻物理奥秘(上)

  本报记者 盛 利

  第二看台

  近日,首个由清华大学作为独立法人单位承担的国家重大科技基础设施——“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”启动,这标志着由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设的极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”进入加快建设新阶段。

  为什么地下实验室能获得低宇宙射线辐射的条件?在具体实验中,这个地下实验室如何屏蔽宇宙射线?日前记者采访了相关专家。

  靠极厚岩石阻挡宇宙射线

  基于中国锦屏地下实验室建设的“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”是我国“十三五”重大科技基础设施10个优先启动项目之一。设施建成后,中国锦屏地下实验室将是世界上岩石覆盖达2400米、宇宙线通量小于每年每平方米100个、可用空间达30万立方米、综合条件国际一流的极低宇宙射线辐射本底平台。

  清华大学工程物理系教授岳骞说,“本底”是粒子物理、核物理、辐射防护等领域对于在实验研究中观测到的对应于物理研究希望获得的真实物理信号之外的其他电离辐射干扰信号的一种统称。

  对于暗物质直接探测实验和中微子实验等前沿物理实验,主要的外部辐射本底来源有两种:一种是来自宇宙射线本身以及宇宙射线轰击实验装置周围材料产生的次级放射性核素;另一种是实验装置所处环境的各种材料中所含的天然长寿命放射性核素,如地下实验室周围岩石、混凝土、钢材等所含的长寿命的铀-238、钍-232等放射性核素及其衰变后的放射性子体等。

  清华大学工程物理系副教授马豪说,宇宙射线主要是指起源于外太空的多种高能带电粒子,以及这些高能粒子在运动过程中与环境介质相互作用产生的次级带电粒子和中性粒子的总称。在地球表面上方几公里的大气层范围内,宇宙射线的粒子成分主要包括质子、中子、电子、缪子、伽马射线、中微子等等。这些粒子有一部分会射向地面,还可以穿透一定厚度的岩石和土壤。“地下实验室的主要作用是用很厚的岩石覆盖层来阻挡宇宙射线,进而显著降低宇宙射线对于前沿物理实验的本底贡献。”马豪说。

  “这些宇宙射线辐射和放射性核素辐射被很好地屏蔽后,暗物质、中微子等前沿物理实验就可以在地下实验室的这些辐射屏蔽装置提供的极低本底环境中开展高灵敏度的实验研究。”岳骞说。

  三类装置加强屏蔽功效

  按照计划,中国锦屏地下实验室地下空间中还将配套建设三类屏蔽装置,分别是大型液氮低温屏蔽装置、大型常温纯净水屏蔽装置,以及组合式固体辐射屏蔽装置等。

  “这些装置主要是为了进一步降低除宇宙射线之外的实验室周围岩石、混凝土、钢材等建筑材料对于物理实验的本底贡献。”岳骞说,大型液氮低温屏蔽装置为暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变实验等提供一个良好的屏蔽系统和低温工作环境,可以利用约6米厚的高纯液氮阻挡降低岩石、建筑材料中的辐射本底,使得未来的实验装置可以在液氮低温介质中“安静”地工作;大型常温纯净水屏蔽装置主要是为暗物质直接探测、中微子实验提供常温的工作环境和良好的屏蔽系统,利用足够厚的纯净水来阻挡外部岩石和建筑材料对于实验的辐射本底贡献;组合式固体辐射屏蔽装置主要是利用聚乙烯、铅和高纯无氧铜等材料,为相对小型的实验提供机动灵活的屏蔽系统,以适应不同探测器形状和大小的科学实验的本底屏蔽需求。

  目前,全世界正在开展粒子物理与核物理研究的地下实验室有10余个,其岩石覆盖厚度从数百米到2000米以上。国际上一般把岩石覆盖超过2000米的地下实验室称为深地实验室。“目前国际上只有两个正在开展粒子物理实验的深地实验室,中国锦屏地下实验室和加拿大斯诺实验室。加拿大斯诺地下实验室岩石覆盖达到了约2100米,而中国锦屏地下实验室岩石覆盖厚度达到了2400米,是全世界岩石覆盖最厚的地下实验室。”岳骞说,中国锦屏地下实验室不仅拥有世界最厚的岩石覆盖,同时由于是隧道型地下实验室,可以方便地把大型实验设备运输到地下实验室中。相比于加拿大斯诺实验室的竖井型地下实验室,中国锦屏地下实验室在设备运输、人员进出和安全管理方面更为便利。

  岳骞说,国内外地下实验室中的低本底前沿实验一般都建设某种适合自己实验的屏蔽装置,基本原理大致相同,主要差别在于屏蔽系统的大小和操作便利性。中国锦屏地下实验室由于其最深的岩石覆盖和最大的可用地下空间,配套建设的地下屏蔽装置规模大、种类多,还针对未来数十年的前沿科学实验需求进行了屏蔽装置的优化配置。

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