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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

2019-08-29 14:19:43來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

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...

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(kāi)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(zhuān)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(chēng)。

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?chē)牧袭a(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?chē)鷰r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(chēng)。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(kāi)展高靈敏度的實(shí)驗(yàn)研究。”岳騫說(shuō)

。

三類(lèi)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(lèi)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?chē)鷰r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(kāi)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(chēng)為深地實(shí)驗(yàn)室

。“目前國(guó)際上只有兩個(gè)正在開(kāi)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(lèi)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

責(zé)任編輯：孫知兵

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