作者:张春玲 赵雄 范可风 来源:央视新闻客户端 发布时间:2023/12/17 7:54:20
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如何把辐射屏蔽做到极致?探秘世界最深、最大的极深地下实验室

 

上周(12月7日),世界最深、最大的极深地下实验室——中国锦屏地下实验室二期建成并正式投入科学运行。锦屏大设施是一个开放共享的大科学装置,它的建成,为暗物质、中微子、核天体物理等前沿课题提供了一流实验环境,也为深地岩体力学、深地医学等深地科学提供了绝佳研究平台。目前,已经有首批10个实验项目组进驻并开展科学实验。

低辐射高纯净 可探寻暗物质和中微子

要观察一粒灰尘落到水面会产生什么影响,就需要一个超级稳定的水面,同时需要超级干净的空气,除了实验用的灰尘外,要避免其他任何东西落到水面上干扰实验结果。地球的表面充斥着无数种电磁波,雷达、卫星、广播、电视等设备无时无刻不在发射电磁波,更不用说太空中无数的星星也在全天候地向地球投射来各种高能粒子,叫做宇宙射线。

想探寻暗物质、中微子这些看不见摸不着的物质和粒子,锦屏实验室就要躲到深深的地下,而且还采用了很多科技手段,来创造一个电磁波极少、宇宙射线量极低、超级纯净的实验室环境。

总台央视记者 张春玲:为了寻找暗物质,科学家需要一个极佳的屏蔽宇宙射线的环境。四川凉山2400米的岩石就为这样一个实验室提供了天然的屏障。在现有的锦屏山的引水隧道群中,一个世界上规模最大、地表最深、辐射量最低的前沿物理实验室建成了。

总台央视记者 张春玲:穿过9公里长长的隧道,来到了锦屏实验室的内部。这是一个实验空间,它的面积有1000平方米,这里有八个这样的实验空间。这里的宇宙线通量仅为地表的一亿分之一。在这样一个深深的隧道之内,打造一个如此低辐射、高纯净度的实验空间,是一个巨大的工程难题。

中建三局锦屏大设施项目经理 王伟:常规的我们的洞壁,都是用这种混凝土进行衬砌,二次衬砌。我们常规的衬砌很厚,达到了50厘米到1米的厚度。但材料的用量越大,辐射值就会越高,对实验产生不利的影响。在实验室内部,我们就是在原始的洞壁上用最少的材料来形成防水抑氡层。这就对材料的选择和施工的控制,提出了更大的挑战。

10种材料打造10厘米超薄内壳 可防水抑氡

克服岩缝中无所不在的放射性气体氡气和潮湿环境,给实验室打造一个完全密封、低辐射且干净贴合的内壳,团队不仅要在混凝土等材料上进行创新,还要在结构设计和施工工艺上另辟蹊径。

总台央视记者 张春玲:这个凹凸不平的洞壁由十种不同的材料打造而成,它的厚度却仅有10厘米。通过这样一个全新的工艺,达到了实验室对于防水抑氡的要求。

中建三局锦屏大设施项目总工程师 谭雷:十层结构总共分成了三个大的结构层。第一个结构层是防排水层,主要的一个目的是把水排出去和抑制氡气的一个渗入。第二个结构层是保护层,主要通过钢筋混凝土对这个防排水层进行保护。同时为我们最后的这个装饰层提供一个漆面。最后一个结构层是我们的装饰层,主要目的一是美观,二是达到整个实验室环境的颗粒物可控,能够有一定的洁净效果。

项目完成后,实验室的这层紧贴岩壁超薄又低辐射的光滑内壁,是施工人员经过十次精细的反复施工打造而成的,也是世界首创的施工工艺。

更低辐射要求 建成世界最大聚乙烯屏蔽舱

光是这些还不够,在锦屏大设施内部有一个重要的实验空间,要求空间辐射不得高于舱外的千分之一,这种近乎极致的要求,带来了建设上的挑战。

实验人员 清华大学博士 姜林:我们要建一个大的聚乙烯屏蔽舱,要再一次进行屏蔽。因为即使在我们这个地下实验室里面还是有一些环境的本底。这个大的聚乙烯的屏蔽舱就是用来屏蔽中子的。

科研团队提出了需求,如何用厚度为1米的聚乙烯材料搭建一个500平方米左右全球最大的屏蔽屏蔽舱,同时把辐射尽可能地屏蔽在舱外,设计团队在拼接结构上动起了脑子。

采用错缝拼接 提升辐射屏蔽能力

总台央视记者 张春玲:传统的正常的拼接,缝的高度是10厘米。而通过把这样一块材料给它分别裁切成为两块,在拼接的时候采用前后左右的一个错缝拼接。这个缝隙的高度就只有5厘米,就把整个的屏蔽能力提升了50%。

1.5万块材料拼接成世界最大聚乙烯屏蔽舱

为了能够精准进行材料的设计拼接,团队利用模型算法,将整个聚乙烯材料分成了15031块,利用数控机床进行精细化切割,像搭积木一样完成,拼接精度在2毫米之内。通过这种错缝拼接的方案,将整体的防辐射能力提升了75%。

同时,我们在实验室的入口,也能看到这种像迷宫一样的隐墙,目的也是对出入口处,进行多次屏蔽,减少辐射的进入。通过这些创新和科技手段,世界上最大的聚乙烯屏蔽舱全面满足了实验要求。

从一期到二期 锦屏大设施助力探索更前沿

锦屏实验室二期的竣工,为基础研究提供了更大的实验空间,从一期到二期,锦屏大设施的投入运行,将在更多领域助力前沿探索。

记者来到了锦屏实验室一期,2010年底投入使用到现在,800平方米空间内,摆满了各类科研实验设备。

中山大学副教授 肖翔:随着大家慢慢开始意识到锦屏地下实验室是一个非常好的环境。我们就有更多的实验项目组入驻,包括锦屏中微子实验,他们把他们的原型机放在这儿。还有包括在地下研究集成电路的影响的一个实验,也把他们的一些设备放在这儿。他们在这儿只是做这个前期的预研,将来也会把他们真正的实验项目放到锦屏二期。

记者:那么您觉得这个更大的这个实验空间和实验装备对我们实验探索的意义是什么?

中山大学副教授 肖翔:更大的空间才能够容纳更大的装备。那当我们的这个装备更大之后,我们的灵敏度、我们的探测极限也会相应增加,那对我们认识宇宙的一些本质,包括对于我们在一些应用科学方面的探索,都会有很大的帮助。

更大的实验空间、更尖端的实验设施,这些国之重器,将助力科研人员的自由探索。

锦屏地下实验室管理局副总工程师 申满斌:实验室二期将形成33万立方米的洞室空间,我们将在这里打造包括暗物质、粒子物理、核天体物理、深地医学、深度岩石力学等在内的多学科交叉的综合研究平台。

(总台央视记者 张春玲 赵雄 范可风)

 
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