把實(shí)驗(yàn)室建在2400米的地下圖個(gè)啥 靠極厚巖石阻擋宇宙射線

近日，首個(gè)由清華大學(xué)作為獨(dú)立法人單位承擔(dān)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”啟動(dòng)，這標(biāo)志著由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司共同建設(shè)的極深地下實(shí)驗(yàn)室——“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)入加快建設(shè)新階段。

為什么地下實(shí)驗(yàn)室能獲得低宇宙射線輻射的條件?在具體實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室如何屏蔽宇宙射線?日前記者采訪了相關(guān)專家。

靠極厚巖石阻擋宇宙射線

基于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”是我國(guó)“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施10個(gè)優(yōu)先啟動(dòng)項(xiàng)目之一。設(shè)施建成后，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室將是世界上巖石覆蓋達(dá)2400米、宇宙線通量小于每年每平方米100個(gè)、可用空間達(dá)30萬(wàn)立方米、綜合條件國(guó)際一流的極低宇宙射線輻射本底平臺(tái)。

清華大學(xué)工程物理系教授岳騫說(shuō)，“本底”是粒子物理、核物理、輻射防護(hù)等領(lǐng)域?qū)τ谠趯?shí)驗(yàn)研究中觀測(cè)到的對(duì)應(yīng)于物理研究希望獲得的真實(shí)物理信號(hào)之外的其他電離輻射干擾信號(hào)的一種統(tǒng)稱。

對(duì)于暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)和中微子實(shí)驗(yàn)等前沿物理實(shí)驗(yàn)，主要的外部輻射本底來(lái)源有兩種：一種是來(lái)自宇宙射線本身以及宇宙射線轟擊實(shí)驗(yàn)裝置周圍材料產(chǎn)生的次級(jí)放射性核素;另一種是實(shí)驗(yàn)裝置所處環(huán)境的各種材料中所含的天然長(zhǎng)壽命放射性核素，如地下實(shí)驗(yàn)室周圍巖石、混凝土、鋼材等所含的長(zhǎng)壽命的鈾-238、釷-232等放射性核素及其衰變后的放射性子體等。

清華大學(xué)工程物理系副教授馬豪說(shuō)，宇宙射線主要是指起源于外太空的多種高能帶電粒子，以及這些高能粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與環(huán)境介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子和中性粒子的總稱。在地球表面上方幾公里的大氣層范圍內(nèi)，宇宙射線的粒子成分主要包括質(zhì)子、中子、電子、繆子、伽馬射線、中微子等等。這些粒子有一部分會(huì)射向地面，還可以穿透一定厚度的巖石和土壤。“地下實(shí)驗(yàn)室的主要作用是用很厚的巖石覆蓋層來(lái)阻擋宇宙射線，進(jìn)而顯著降低宇宙射線對(duì)于前沿物理實(shí)驗(yàn)的本底貢獻(xiàn)。”馬豪說(shuō)。

“這些宇宙射線輻射和放射性核素輻射被很好地屏蔽后，暗物質(zhì)、中微子等前沿物理實(shí)驗(yàn)就可以在地下實(shí)驗(yàn)室的這些輻射屏蔽裝置提供的極低本底環(huán)境中開展高靈敏度的實(shí)驗(yàn)研究。”岳騫說(shuō)。

三類裝置加強(qiáng)屏蔽功效

按照計(jì)劃，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室地下空間中還將配套建設(shè)三類屏蔽裝置，分別是大型液氮低溫屏蔽裝置、大型常溫純凈水屏蔽裝置，以及組合式固體輻射屏蔽裝置等。

“這些裝置主要是為了進(jìn)一步降低除宇宙射線之外的實(shí)驗(yàn)室周圍巖石、混凝土、鋼材等建筑材料對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的本底貢獻(xiàn)。”岳騫說(shuō)，大型液氮低溫屏蔽裝置為暗物質(zhì)直接探測(cè)、無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)等提供一個(gè)良好的屏蔽系統(tǒng)和低溫工作環(huán)境，可以利用約6米厚的高純液氮阻擋降低巖石、建筑材料中的輻射本底，使得未來(lái)的實(shí)驗(yàn)裝置可以在液氮低溫介質(zhì)中“安靜”地工作;大型常溫純凈水屏蔽裝置主要是為暗物質(zhì)直接探測(cè)、中微子實(shí)驗(yàn)提供常溫的工作環(huán)境和良好的屏蔽系統(tǒng)，利用足夠厚的純凈水來(lái)阻擋外部巖石和建筑材料對(duì)于實(shí)驗(yàn)的輻射本底貢獻(xiàn);組合式固體輻射屏蔽裝置主要是利用聚乙烯、鉛和高純無(wú)氧銅等材料，為相對(duì)小型的實(shí)驗(yàn)提供機(jī)動(dòng)靈活的屏蔽系統(tǒng)，以適應(yīng)不同探測(cè)器形狀和大小的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本底屏蔽需求。

目前，全世界正在開展粒子物理與核物理研究的地下實(shí)驗(yàn)室有10余個(gè)，其巖石覆蓋厚度從數(shù)百米到2000米以上。國(guó)際上一般把巖石覆蓋超過(guò)2000米的地下實(shí)驗(yàn)室稱為深地實(shí)驗(yàn)室。“目前國(guó)際上只有兩個(gè)正在開展粒子物理實(shí)驗(yàn)的深地實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室和加拿大斯諾實(shí)驗(yàn)室。加拿大斯諾地下實(shí)驗(yàn)室?guī)r石覆蓋達(dá)到了約2100米，而中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室?guī)r石覆蓋厚度達(dá)到了2400米，是全世界巖石覆蓋最厚的地下實(shí)驗(yàn)室。”岳騫說(shuō)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室不僅擁有世界最厚的巖石覆蓋，同時(shí)由于是隧道型地下實(shí)驗(yàn)室，可以方便地把大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)輸?shù)降叵聦?shí)驗(yàn)室中。相比于加拿大斯諾實(shí)驗(yàn)室的豎井型地下實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室在設(shè)備運(yùn)輸、人員進(jìn)出和安全管理方面更為便利。

岳騫說(shuō)，國(guó)內(nèi)外地下實(shí)驗(yàn)室中的低本底前沿實(shí)驗(yàn)一般都建設(shè)某種適合自己實(shí)驗(yàn)的屏蔽裝置，基本原理大致相同，主要差別在于屏蔽系統(tǒng)的大小和操作便利性。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室由于其最深的巖石覆蓋和最大的可用地下空間，配套建設(shè)的地下屏蔽裝置規(guī)模大、種類多，還針對(duì)未來(lái)數(shù)十年的前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行了屏蔽裝置的優(yōu)化配置。盛 利