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世界最深!中國錦屏地下實驗室,為探索暗物質而建造的偉大工程

7月
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2019

2019年7月22日23時 天文在線

天文在線

中國錦屏地下實驗室(CJPL)位於中國四川省錦屏山地下。實驗室宇宙射線率低於0.2介子/m2/天。實驗室處在6720米之下,是世界上最好的防干擾地下實驗室。實驗室實際深度2400米,然而這裡也有水平出入口,方便用貨車運輸器械。

鑿出隧道需要處理被稱作「硬石」的大理石,然而在如此的深度下,這些石頭帶來了地質工程上的挑戰,甚至比處理建造其他地下實驗室時遇到的,更加堅硬的火成岩要困難。石頭上一千萬帕的水壓也十分不方便。但是,大理石有屏蔽輻射的優勢,因為這種石頭中,類似鉀40,鐳226,釷232和鈾238這樣的放射性核素較少。這也導致空氣中氡222含量較少。

這個實驗室四川南部的涼山,距成都西南500千米。最近的大型機場是西昌青山機場,路程120千米。

歷史

錦屏水力發電二壩工程包括在錦屏山下挖掘一些巨型隧道:四條規模達16.7km(10.4mi)的導水渠管可將水運輸至東部,兩條17.5km(10.9 mi)的交通運輸隧道及一條排水渠道。聽聞2008年八月的開鑿,清華大學的物理學家認為這裡是建造地下實驗室的絕佳位置,並與水力發電公司協商在隧道群中心建造實驗室。

一份正式文件於2009年5月8號簽署後挖掘工作便迅速展開了。第一階段CJPL-Ⅰ的挖掘工作持續到了2010年5月並於本年6月12日完成建設工作,其中包括一個 6.5 × 6.5 × 42 米(21 × 21 × 138 英尺)長的主要過道和另外的55 米(180 英尺)長進口隧道(總共挖掘出4,000立方米的空間)。實驗室正式開幕式於2010年12月12日舉辦。

這個實驗室位於七條平行隧道最南端的南部,交通隧道A。

CJPL-Ⅰ內的空氣通風設備最初並不完備,這直接導致了儀器積灰和空氣中的氡氣濃度升高,直到附加通風設備安裝到位時情況才有所好轉。

更加艱巨的問題是,CJPL-I的牆面與水力發電工程的設備所占據的普通混凝土相連,它的自然放射性高於符合低本底實驗室所要求的。第二階段的建造會選擇低放射性材料。

CJPL-II(錦屏地下實驗室二期)擴建即將開展

實驗室目前正準備大規模的擴建(50倍)。一期迅速完成,二期工程規劃也迅速制定好。2014年工程竣工後,挖掘工人和設備已逐漸撤離。

一期工程略西處,一期水電工程修建七條隧道時保留了兩條分流隧道,兩條總長約為一公里(3300英尺)。它們是縱橫交錯的斜波隧道,連通五條水道(四條引水渠和一條排水渠)的中點至一旁及稍高於它們的通路隧道。共計210,000立方(7416092立方英尺),原計劃竣工後便封堵,現已貢獻給實驗室,將用於設備支持。

二期擴建增加了151,000立方米(5332523立方英尺),新增開挖:部分聯絡通道,四個大型實驗廳,每個14*14*130米(46*46*427英尺),還有兩個用於掩蓋大廳地板下的水箱的坑。中國的暗物質實驗(CDEX)有一個深18米(59英尺)的圓柱形大坑,用以填充一個液氮罐。而上海交通大學液氙直接探測合作組(PandaX)有一個27*16米(89*52英尺)和深14米(46英尺)的橢圓坑,用做屏蔽水箱。這些大廳在2015年完工,坑井在2016年5月完工,並且截至2017年5月,已安裝好通風系統和其他必需品。(比預期的2017年1月完工日期稍晚)。

這個項目竣工後,它會打破之前義大利格蘭薩索國家實驗室(LNGS)的紀錄,成為世界上最大的地下實驗室。儘管更深更厚的岩石讓它的走廊比LNGS的20米主要走廊(66英尺)要窄,但是它的總長度可以達到520米(1710英尺),從而提供了比三個300米長的主通道加起來還大的室內面積(7280平方米對比LNGS6000平方米)。

CJPL的大廳比LNGS更大。CJPL的大廳本身就有93,300 立方米,再加上屏蔽坑還有9,300立方米,總共有102,600 立方米,略高於LNGS的95,100 立方米。

再加上大廳外面的服務區域,總共有200000——300000立方米的空間,LNGS的總體積為180000立方米,而CJPL的總體積是361000立方米,是LNGS的兩倍。但這只是數據上的,由於INGS被設計為一個個實驗室,因此它的空間利用率比CJPL要高。

由於實驗室位於一個大型水電設備內,因而可以獲得大量的電能。CJPL-II的電能由兩條電壓10千伏,功率為10微瓦的電纜供應。由於實驗室只有5座250千伏安的降壓器(每個實驗館一個),我們可用的電能並沒有那麼多。方便的水資源也有利於大功率設備的冷卻。

在CJPL-Ⅱ(水當量深度)內的大氣μ子當前正在測量中,數據可能與CJPL-I的稍有不同,但是肯定比加拿大薩德伯里中微子觀察實驗室(SNOLAB)的數值要低,也正如此,成為了世界上最深的實驗室所保留的記錄。

實驗

目前中國錦屏極深地下實驗室(CJPL) 正在進行的實驗有:

中國暗物質實驗(CDEX),鍺暗物質探測器所進行的探測工作。

上海交通大學液氙直接探測合作組(Pandax)暗物質粒子和天體物理氙探測器所進行的探測工作(中微子雙β衰變實驗)。

在實驗室中有著一個低背景設備,它可以利用高精度的鍺探測器檢測到放射性極低的物質。這並不是一個物理研究實驗,而是一個測試材料的項目,例如我們會用它來測試製作CJPL-II的材料。

目前計劃在CJPL-II進行的實驗有:

一個更大的重量級的CDEX。

一個更大的重量級的PandaX

錦屏地下核天體物理實驗室(JUNA),建成後便可以進行天體物理中關於測量恆星核反應速率的實驗。

一個粒子物理基於液體上實驗氬檢測器的ARDM(氬暗物質)實驗

一些建議:

錦屏中微子實驗室可以建在CJPL中遠離核反應堆的地方,因為那裡的中微子通量是整個地下實驗室中最低的地方。這樣有利於對太陽中微子的探測。

通過CUPID(CUORED的升級版)和MIMAC(微型TPC矩陣)的協作進行中微子雙β衰變實驗和定向暗物質探測器,作為目前在modane地下實驗室的探測器的後續裝置。

注釋

早期的計劃是寬度和深度均為16米,但是實際上擴建到了18米。

果是橢圓形的(面積為 27×16×π/4 = 339.3 m2)還是體育館那種形狀(面積為11×16 + 162×π/4 = 377.1 m2),他們的體積分別是4750 m3 和 5279 m3.

CJPL大廳的橫截面積是不一致的。13座半球狀屋頂寬14米,長4.08米,斜度121度。也有較小的114度傾角,他的半徑大,拱形高度較小,為3.8米。他們的橫截面積分別是 179.434 和180.275 m2, 體積是 93,306 和 93,743 m2,

LNGS的大廳設計寬度為20米。半球狀屋頂最高處為18米,截面積為 20×(8+10×π/4) = 317.08 m2.

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. wikipedia

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