■本報(bào)記者 倪思潔
廣東江門。
在一座名叫“打石山”的深山里，一群人正在地下700米深處，打造一個(gè)有巨型“水球”的神秘基地。
這是目前國(guó)內(nèi)跨度最大的地下洞室，光是用來(lái)支撐水球的網(wǎng)殼就用了900噸不銹鋼材料。
這個(gè)基地被稱為“江門中微子實(shí)驗(yàn)”。
3月9日，記者從中科院高能物理研究所獲悉，江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器中41米直徑不銹鋼主結(jié)構(gòu)的30榀支承結(jié)構(gòu)在地下實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)全部安裝就位并成功實(shí)現(xiàn)連接。這是不銹鋼主結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝的一個(gè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，也是巨型“水球”探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)建造的重要開(kāi)端，接下來(lái)將進(jìn)入球形網(wǎng)殼安裝階段。
誰(shuí)在建這個(gè)神秘基地？他們到底要干啥？地下巨型“水球”怎么造？針對(duì)這些問(wèn)題，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》專訪了江門中微子實(shí)驗(yàn)副發(fā)言人、中科院高能物理研究所研究員曹俊。
捕捉“幽靈粒子”
中微子是基本粒子世界中的“隱士”，號(hào)稱“幽靈粒子”，質(zhì)量小、不帶電，它們從人體穿過(guò)、從地球穿過(guò)，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用。中微子的質(zhì)量順序，是研究中微子質(zhì)量及宇宙演化的基礎(chǔ)，也是國(guó)際中微子研究的核心問(wèn)題。
江門中微子實(shí)驗(yàn)就是用來(lái)捕捉中微子并測(cè)量中微子質(zhì)量順序的大科學(xué)工程。作為退役的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站的后繼者，江門中微子實(shí)驗(yàn)更靈敏，規(guī)模也更大。曹俊表示，2013年，江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正式立項(xiàng)，科研人員隨后對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。
按照設(shè)計(jì)，江門中微子實(shí)驗(yàn)位于地下700米近12層樓高的地下洞室里，有一個(gè)大型的水池、一個(gè)中微子探測(cè)器，以及少量配套設(shè)施。
中微子探測(cè)器是江門中微子實(shí)驗(yàn)的“心臟”，將裝滿2萬(wàn)噸液體閃爍體和數(shù)萬(wàn)只光電倍增管。液體閃爍體是探測(cè)中微子的介質(zhì)，當(dāng)大量中微子穿過(guò)探測(cè)器時(shí)，偶爾會(huì)在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光。液體閃爍體99.7%的成分是日用洗滌劑的一種原材料——烷基苯。液體閃爍體會(huì)被密封在鋼和有機(jī)玻璃制作的容器中，然后被浸泡在一個(gè)巨大的水池中。水池中會(huì)安裝能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的光電倍增管，中微子在液體閃爍體中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的閃爍光可以被光電倍增管捕捉到。
曹俊介紹，之所以這樣設(shè)計(jì)，是為了給探測(cè)器一個(gè)“干凈的環(huán)境”，“把探測(cè)器放在很深的地下，就可以用巖石來(lái)阻擋宇宙射線；把探測(cè)器泡在水池中，就可以用水來(lái)阻擋來(lái)自巖石、空氣、灰塵的天然放射性”。
三步建成巨型“水球”
“江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)全流程大致分為三步?！辈芸≌f(shuō)。
第一步是土建。2015年，江門中微子實(shí)驗(yàn)破土動(dòng)工，開(kāi)始地下實(shí)驗(yàn)室的土建工作?！斑@是國(guó)內(nèi)跨度最大的地下洞室，由于地下水超出了研究人員的預(yù)期，土建過(guò)程中我們面臨巨大困難，以至于土建延期3年，直到2021年底才基本完成?！辈芸≌f(shuō)。
“第二步是探測(cè)器安裝，將持續(xù)約1年半。第三步是液體閃爍體的生產(chǎn)與灌裝，大約需要半年時(shí)間。”曹俊說(shuō)。
1月21日，江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器的不銹鋼網(wǎng)殼主結(jié)構(gòu)第一榀支撐柱成功吊裝落位，標(biāo)志著江門中微子實(shí)驗(yàn)正式邁出了第二步?！疤綔y(cè)器現(xiàn)場(chǎng)安裝是江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)攻關(guān)的關(guān)鍵階段?！辈芸≌f(shuō)。
他介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器中的不銹鋼網(wǎng)殼是國(guó)內(nèi)最大的單體不銹鋼主結(jié)構(gòu)之一，直徑41米，將承載35.4米直徑的有機(jī)玻璃球、2萬(wàn)噸液體閃爍體、2萬(wàn)只20英寸光電倍增管、2.5萬(wàn)只3英寸光電倍增管，以及前端電子學(xué)、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多關(guān)鍵部件。
不銹鋼網(wǎng)殼用了大約900噸低放射性本底的不銹鋼材料。這些材料在工廠焊接成構(gòu)件后，被運(yùn)往實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，科研人員將用12萬(wàn)套高強(qiáng)螺栓把它拼接成型。
曹俊介紹，由于不銹鋼網(wǎng)殼對(duì)結(jié)構(gòu)制造的精度要求很高，科研人員從2013年項(xiàng)目立項(xiàng)開(kāi)始就與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)企業(yè)協(xié)同攻關(guān)。
他們解決了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形的問(wèn)題，通過(guò)特殊工裝和工法完成了所有構(gòu)件在工廠的高精度預(yù)拼裝；研發(fā)并確定了不銹鋼表面粗化技術(shù)，該技術(shù)將不銹鋼表面抗滑移系數(shù)從普通的0.2提高到0.5以上；針對(duì)項(xiàng)目特殊需求，研制了高強(qiáng)不銹鋼短尾環(huán)槽鉚釘。這些技術(shù)獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，其中不銹鋼短尾環(huán)槽鉚釘技術(shù)由中國(guó)機(jī)械通用零部件工業(yè)協(xié)會(huì)進(jìn)行了鑒定，首次用于鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并據(jù)此發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
科研隊(duì)伍變身“地下”工作者
“現(xiàn)場(chǎng)安裝的開(kāi)始意味著建設(shè)的主要工作已由土建隊(duì)伍轉(zhuǎn)交到科研隊(duì)伍手中。”曹俊說(shuō)。
江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)安裝工作幾乎都要在地下完成。“由于探測(cè)器巨大，我們只能將部件運(yùn)往地下實(shí)驗(yàn)室，在地下完成組裝?！辈芸≌f(shuō)。
土建期間，科研人員已經(jīng)準(zhǔn)備好了相關(guān)部件?！拔覀円恢痹谕介_(kāi)展探測(cè)器技術(shù)研發(fā)和部件生產(chǎn)，攻克了大量關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，比如發(fā)明了世界上探測(cè)效率最高的光電倍增管、研制了最透明的液體閃爍體等。目前大部分部件已在工廠完成生產(chǎn)，存儲(chǔ)在工廠或租用的倉(cāng)庫(kù)、測(cè)試場(chǎng)地中。”曹俊說(shuō)。
比如，對(duì)于直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，科研人員準(zhǔn)備了265塊弧形有機(jī)玻璃板，其中最大一塊玻璃板長(zhǎng)8米、寬3米、厚12厘米。安裝時(shí)，他們要將這些玻璃板通過(guò)隧道運(yùn)到地下，然后在地下完成粘接。
“目前，現(xiàn)場(chǎng)的科研人員約十幾人，加上安裝工人、各探測(cè)器系統(tǒng)的合同廠家人員、后勤和支撐隊(duì)伍，共有幾十人，將來(lái)高峰期應(yīng)該超過(guò)100人。”曹俊說(shuō)。
疫情給安裝帶來(lái)了不少困難，特別是國(guó)際合作方面。曹俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，由國(guó)外合作者負(fù)責(zé)研制的設(shè)備本該由他們現(xiàn)場(chǎng)安裝，現(xiàn)在只能進(jìn)行“遠(yuǎn)程安裝”，即通過(guò)遠(yuǎn)程技術(shù)支持，由中方研究人員和安裝工人配合完成。
據(jù)了解，江門中微子實(shí)驗(yàn)計(jì)劃于2023年投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)壽命30年，建成后將與日本的“頂級(jí)神岡”探測(cè)器和美國(guó)的“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”設(shè)施形成鼎足之勢(shì)。
?。ㄔ醋浴吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》 2022-03-10 第3版 綜合，原文鏈接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/3/368489.shtm)
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