把實(shí)驗(yàn)室建在2400米的地下圖個啥 如何屏蔽宇宙射線?

近日，首個由清華大學(xué)作為獨(dú)立法人單位承擔(dān)的國家重大科技基礎(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，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“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施10個優(yōu)先啟動項(xiàng)目之一。設(shè)施建成后，中國錦屏地下實(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、可用空間達(dá)30萬立方米、綜合條件國際一流的極低宇宙射線輻射本底平臺。

清華大學(xué)工程物理系教授岳騫說，“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)研究中觀測到的對應(yīng)于物理研究希望獲得的真實(shí)物理信號之外的其他電離輻射干擾信號的一種統(tǒng)稱。

對于暗物質(zhì)直接探測實(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源有兩種：一種是來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，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)動過程中與環(huán)境介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級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阻擋宇宙射線，進(jìn)而顯著降低宇宙射線對于前沿物理實(shí)驗(yàn)的本底貢獻(xiàn)。”馬豪說。

“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。

三類裝置加強(qiáng)屏蔽功效

按照計(jì)劃，中國錦屏地下實(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、鋼材等建筑材料對于物理實(shí)驗(yàn)的本底貢獻(xiàn)。”岳騫說，大型液氮低溫屏蔽裝置為暗物質(zhì)直接探測、無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)等提供一個良好的屏蔽系統(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、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阻擋外部巖石和建筑材料對于實(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、鉛和高純無氧銅等材料，為相對小型的實(shí)驗(yàn)提供機(jī)動靈活的屏蔽系統(tǒng)，以適應(yīng)不同探測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，其巖石覆蓋厚度從數(shù)百米到2000米以上。國際上一般把巖石覆蓋超過2000米的地下實(shí)驗(yàn)室稱為深地實(shí)驗(yàn)室。“目前國際上只有兩個正在開展粒子物理實(shí)驗(yàn)的深地實(shí)驗(yàn)室，中國錦屏地下實(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，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室不僅擁有世界最厚的巖石覆蓋，同時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，國內(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，還針對未來數(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)

關(guān)鍵詞： 極深地下實(shí)驗(yàn)室