江门中微子实验 地下700米建成“变形金刚塔”

　　为实现有机玻璃球自上而下逐层安装的升降平台。

　　近日,记者从中国科学院高能物理研究所江门中微子实验站获悉,江门中微子实验地下700米的实验大厅内,为实现有机玻璃球自上而下逐层安装的升降平台,已安装完毕并顶升至38米,为下一步有机玻璃球安装工作做好了准备。

　　江门中微子实验核心探测设备——中微子探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央,它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球以及2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

　　升降平台是完成有机玻璃球安装的重要辅助平台,其直径和高度逐层可变,可谓“变形金刚塔”,它将全程服役于有机玻璃球的安装。工程人员将在该平台上逐层完成有机玻璃的吊装就位、拼接聚合、固化、退火、打磨、清洗、贴膜等工序,最终完成有机玻璃球的整体安装。

　　江门中微子实验副发言人、中国科学院高能物理研究所研究员曹俊介绍,江门中微子实验的建设全流程大致分为三步。第一步是土建。2015年,江门中微子实验破土动工,开始地下实验室的土建工作,“这是国内跨度最大的地下洞室,由于地下水超出了研究人员的预期,土建过程中,我们面临了巨大困难,土建延期三年,直到2021年底才基本完成。”曹俊说。

　　土建完成后,“第二步是探测器安装,将持续约1年半。安装完后是第三步——液体闪烁体的生产与灌装,大约需要半年时间。”曹俊说。1月21日,江门中微子实验中心探测器的不锈钢网壳主结构第一榀支撑柱成功吊装落位,标志着江门中微子实验正式迈出了第二步。“探测器现场安装是江门中微子实验建设攻关的关键阶段。”曹俊说。

　　他介绍,江门中微子实验中心探测器中的不锈钢网壳是国内最大的单体不锈钢主结构之一,直径41米,将承载35.4米直径的有机玻璃球、20000吨液体闪烁体、20000只20英寸光电倍增管、25000只3英寸光电倍增管,以及前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多关键部件。

　　不锈钢网壳的制造用了大约900吨低放射性本底的不锈钢材料。这些材料在工厂焊接成构件后,被运往实验现场,在实验现场,科研人员将用12万套高强螺栓,把它拼接成型。

　　曹俊介绍,由于不锈钢网壳对结构制造的精度要求很高,为了制造这一不锈钢网壳,科研人员从2013年项目立项开始就与设计、生产企业协同攻关。

　　他们解决了大型复杂结构焊接变形的问题,通过特殊工装和工法完成了所有构件在工厂的高精度预拼装；研发并确定了不锈钢表面粗化技术,该技术将不锈钢表面抗滑移系数从普通的0.2提高到0.5以上；针对该项目的特殊需求,他们研制了高强不锈钢短尾环槽铆钉。

　　这些技术获得了多项发明专利授权,其中不锈钢短尾环槽铆钉技术由中国机械通用零部件工业协会进行了鉴定,首次用于钢结构领域,并据此发布了相关标准,填补了国内空白。

　　实验建设

　　中微子探测器需要极干净的环境

　　据悉,江门中微子实验2015年开始建设,计划2023年底建成并开始运行取数。建设内容包括:位于地下700米的地下洞室、大型的水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套的设施。实验本身不产生废气、废液等有害物质,对周围环境也不产生有害影响。

　　在生活的日常环境中,实际存在大量的宇宙射线和来自岩石、空气、灰尘的天然放射性。如果不加任何屏蔽,它们在探测器中产生的信号将比稀有的中微子信号多上亿倍。因此,中微子探测器需要一个极其干净的环境:需要放在很深的地下,用岩石来阻挡宇宙射线；需要泡在水池中,用水来阻挡来自岩石、空气、灰尘的天然放射性。

　　实验地点

　　中微子在此处振荡效应最明显

　　江门中微子实验建于江门开平市金鸡镇、赤水镇一带的打石山,其最重要的科学目标——测量中微子质量顺序,要求位于距反应堆约60公里,来自反应堆的中微子在此处振荡效应最明显。打石山正好位于距阳江和台山反应堆等距的53公里处。同时,山体也能屏蔽宇宙射线。

　　实验意义

　　中微子是国际粒子物理研究热点

　　粒子物理是最重要的科学前沿之一。中微子研究是国际粒子物理研究的热点,也是唯一有实验证据超出粒子物理标准模型,可以取得重大突破的方向,是粒子物理、天体物理和宇宙学研究的交叉。

　　我国大亚湾实验已在这一世界前沿热点领域取得重大成果,发现了中微子第三种振荡模式,打开了理解反物质消失之谜的大门。江门中微子实验将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题:中微子质量顺序,不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献,也将对宇宙学、天体物理乃至地球物理做出重大贡献。

　　江门中微子实验将带动建立一支国际领先的科研团队,使我国的粒子物理研究走在世界前列,并带动国内相关企业的技术创新,为实现科技强国战略做出重要贡献。

　　建成后将与日本的“顶级神冈中微子探测器”和美国的“深部地下中微子实验”设施形成中微子研究的鼎足之势。

　　采写:南方+记者　卞德龙

　　综合:中国科学院高能物理研究所实验介绍、中国科学报

　　供图:中科院高能所