?。ㄞD(zhuǎn)自科學(xué)網(wǎng)曹俊博客：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=296183&do=blog&id=476494）
經(jīng)過四年的準(zhǔn)備和四年的建造，大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗終于開始取數(shù)了。
為了屏蔽來自巖石的天然放射性和去除宇宙線帶來的本底，中微子探測器浸泡在一個巨大的水池中。當(dāng)宇宙線穿過水的時候，會發(fā)出切倫科夫光。通過探測切倫科夫光，就可以探測到宇宙線的經(jīng)過，將它引起的假中微子信號去掉。為了提高宇宙線的探測效率，我們采用了超純水。盡管對水的性能已經(jīng)研究了很長時間，當(dāng)2000噸的純水慢慢灌注到水池中的時候，我們?nèi)匀桓械秸痼@：怎么是深藍(lán)色的？
圖1：灌滿水的水池
最純凈的水是什么？18兆歐的去離子水。如果把水中的雜質(zhì)全部去掉，水的電阻率會提高，最高可以達到18.2兆歐姆x厘米。溶入雜質(zhì)后，例如泡在水中的塑料、鋼等材料，都會緩慢地溶進水中，電阻率會下降，透明度也會降低。即使沒有泡任何材料，接觸空氣后，空氣溶入水中，電阻率會很快下降到1-2兆歐，再過幾天，細(xì)菌就開始生長。分析光的紫外可見光譜（UV-vis），可以看到由細(xì)菌帶來的光吸收峰。從自來水出發(fā)，經(jīng)過幾步過濾、反滲透、樹脂混床，不難得到非常接近18.2兆歐的超純水。但是為了保持純度，需要不停地循環(huán)，去掉溶入水中的材料微粒，氣體，殺菌等。為了盡量使微弱的切倫科夫光被探測到，水必須保持極高的透明度。衡量透明度一般用衰減長度，衰減長度越長，光透過得越多。最純的水衰減長度在425nm處可以達到100多米，即穿過100多米后，425nm的光還剩exp(-1)，約三分之一的光強。普通的自來水衰減長度常常只有2-3米。
在前期試驗中，我們用過很多純凈水，但是沒有注意到它會呈現(xiàn)出藍(lán)色。也許是規(guī)模不夠大，也許是觀察的背景和環(huán)境不同。在地下的實驗大廳，裝純凈水的池子用一種很干凈的涂料噴涂了幾遍。它對水的污染小于不銹鋼或PP、CPVC等塑料。然后貼上了Tyvek反射膜，也就是上圖中的白色部分，提高光的反射和收集效率。這種漫反射膜對整個可見光波段的反射率可以達到98%，因此顯得非常耀眼。
我們看到的水的顏色，當(dāng)然不是它自己發(fā)出來的。在大廳中，照明燈是氣體放電燈，它的發(fā)光接近于白色。光穿過10米深的水，通過Tyvek的漫反射，再經(jīng)過10多米的水，才能到達我們的眼睛。Tyvek基本上不吸收光。純水的吸收曲線如圖2。當(dāng)光穿過20米的水后，藍(lán)光吸收最少，紅光基本上全被吸收了，見圖3。這樣，我們看到的水就是藍(lán)色的。
圖2：水的吸收曲線，425nm處吸收最小。
圖3：照明燈發(fā)出的光接近于白光（光譜見直方圖），經(jīng)過20米水的吸收后（見衰減曲線，標(biāo)記100%的水平紅線為無衰減的情況），基本只剩下藍(lán)光?？梢姽獠ǘ螢?80nm（藍(lán)）到780nm（紅）。
其實不需要20米的水，水池剛開始灌水時，就呈現(xiàn)出淡藍(lán)色。
圖4：剛開始灌水的水池，水已經(jīng)呈淡藍(lán)色。池壁上裝有探測切倫科夫光的光電倍增管（PMT）。
藍(lán)色是大自然鐘愛的顏色。
天空是藍(lán)色的，是因為瑞利散射的強度與波長的四次方成反比。陽光中的短波長藍(lán)光被空氣散射后，使天空呈現(xiàn)藍(lán)色。這個機制正好與上面的純水相反。一個是藍(lán)光更多地被散射，一個是直射光中紅光被吸收，藍(lán)光保留了下來。純水也有瑞利散射，并在更短的波長扮演主要角色，但是425nm藍(lán)光的衰減長度仍是最長的，說明吸收和散射都很小。
大亞灣實驗混制的液體閃爍體，也呈現(xiàn)出漂亮的淡藍(lán)色。不過既不是因為散射，也不是因為吸收，而是燈光中的紫外線激發(fā)液體閃爍體，液體閃爍體自己發(fā)出了微弱的藍(lán)光。發(fā)光光譜的峰值正好在430nm左右。
圖5：液體閃爍體發(fā)光微弱的藍(lán)光。
還有一種水也是非常漂亮的藍(lán)色，就是核電站核島內(nèi)存放核廢料的乏燃料水池。換料時，乏燃料棒用機械手從反應(yīng)堆內(nèi)取出，移到裝滿水的乏燃料池中存放比較長的一段時間，再做進一步處理。不過不要被這種藍(lán)色的美麗所誘惑，它是一種切倫科夫光，是核廢料中高強度的放射性在水中發(fā)出的光。如果沒有水的吸收屏蔽，這些放射性可是致命的。
|
