世界最深!中国锦屏地下实验室_为探索暗物质而建造的伟大工程(錦屏實驗室暗物質)

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2024-07-10
凿出隧道需要处理被称作“硬石”的大理石,然而在如此的深度下,这些石头带来了地质工程上的挑战,甚至比处理建造其他地下实验室时遇到的,更加坚硬的火成岩要困难。石头上一千万帕的水压也十分不方便。但是,大理石有屏蔽辐射的优势,因为这种石头中,类似钾40,镭226,钍232和铀238这样的放射性核素较少。这也导致空气中氡……

凿出隧道需要处理被称作“硬石”的大理石,然而在如此的深度下,这些石头带来了地质工程上的挑战,甚至比处理建造其他地下实验室时遇到的,更加坚硬的火成岩要困难。
石头上一千万帕的水压也十分不方便。
但是,大理石有屏蔽辐射的优势,因为这种石头中,类似钾40,镭226,钍232和铀238这样的放射性核素较少。
这也导致空气中氡222含量较少。

这个实验室四川南部的凉山,距成都西南500千米。
最近的大型机场是西昌青山机场,路程120千米。

历史

锦屏水力发电二坝工程包括在锦屏山下挖掘一些巨型隧道:四条规模达16.7km(10.4mi)的导水渠管可将水运输至东部,两条17.5km(10.9 mi)的交通运输隧道及一条排水渠道。
听闻2008年八月的开凿,清华大学的物理学家认为这里是建造地下实验室的绝佳位置,并与水力发电公司协商在隧道群中心建造实验室。

世界最深!中国锦屏地下实验室_为探索暗物质而建造的伟大工程(錦屏實驗室暗物質)
(图片来源网络,侵删)

一份正式文件于2009年5月8号签署后挖掘工作便迅速展开了。
第一阶段CJPL-Ⅰ的挖掘工作持续到了2010年5月并于本年6月12日完成建设工作,其中包括一个 6.5 × 6.5 × 42 米(21 × 21 × 138 英尺)长的主要过道和另外的55 米(180 英尺)长进口隧道(总共挖掘出4,000立方米的空间)。
实验室正式开幕式于2010年12月12日举办。

这个实验室位于七条平行隧道最南端的南部,交通隧道A。

CJPL-Ⅰ内的空气通风设备最初并不完备,这直接导致了仪器积灰和空气中的氡气浓度升高,直到附加通风设备安装到位时情况才有所好转。

更加艰巨的问题是,CJPL-I的墙面与水力发电工程的设备所占据的普通混凝土相连,它的自然放射性高于符合低本底实验室所要求的。
第二阶段的建造会选择低放射性材料。

CJPL-II(锦屏地下实验室二期)扩建即将开展

实验室目前正准备大规模的扩建(50倍)。
一期迅速完成,二期工程规划也迅速制定好。
2014年工程竣工后,挖掘工人和设备已逐渐撤离。

一期工程略西处,一期水电工程修建七条隧道时保留了两条分流隧道,两条总长约为一公里(3300英尺)。
它们是纵横交错的斜波隧道,连通五条水道(四条引水渠和一条排水渠)的中点至一旁及稍高于它们的通路隧道。
共计210,000立方(7416092立方英尺),原计划竣工后便封堵,现已贡献给实验室,将用于设备支持。

二期扩建增加了151,000立方米(5332523立方英尺),新增开挖:部分联络通道,四个大型实验厅,每个1414130米(4646427英尺),还有两个用于掩盖大厅地板下的水箱的坑。
中国的暗物质实验(CDEX)有一个深18米(59英尺)的圆柱形大坑,用以填充一个液氮罐。
而上海交通大学液氙直接探测合作组(PandaX)有一个2716米(8952英尺)和深14米(46英尺)的椭圆坑,用做屏蔽水箱。
这些大厅在2015年完工,坑井在2016年5月完工,并且截至2017年5月,已安装好通风系统和其他必需品。
(比预期的2017年1月完工日期稍晚)。

这个项目竣工后,它会打破之前意大利格兰萨索国家实验室(LNGS)的纪录,成为世界上最大的地下实验室。
尽管更深更厚的岩石让它的走廊比LNGS的20米主要走廊(66英尺)要窄,但是它的总长度可以达到520米(1710英尺),从而提供了比三个300米长的主通道加起来还大的室内面积(7280平方米对比LNGS6000平方米)。

CJPL的大厅比LNGS更大。
CJPL的大厅本身就有93,300 立方米,再加上屏蔽坑还有9,300立方米,总共有102,600 立方米,略高于LNGS的95,100 立方米。

再加上大厅外面的服务区域,总共有200000——300000立方米的空间,LNGS的总体积为180000立方米,而CJPL的总体积是361000立方米,是LNGS的两倍。
但这只是数据上的,由于INGS被设计为一个个实验室,因此它的空间利用率比CJPL要高。

由于实验室位于一个大型水电设备内,因而可以获得大量的电能。
CJPL-II的电能由两条电压10千伏,功率为10微瓦的电缆供应。
由于实验室只有5座250千伏安的降压器(每个实验馆一个),我们可用的电能并没有那么多。
方便的水资源也有利于大功率设备的冷却。

在CJPL-Ⅱ(水当量深度)内的大气μ子当前正在测量中,数据可能与CJPL-I的稍有不同,但是肯定比加拿大萨德伯里中微子观察实验室(SNOLAB)的数值要低,也正如此,成为了世界上最深的实验室所保留的记录。

实验

目前中国锦屏极深地下实验室(CJPL) 正在进行的实验有

中国暗物质实验(CDEX),锗暗物质探测器所进行的探测工作。

上海交通大学液氙直接探测合作组(Pandax)暗物质粒子和天体物理氙探测器所进行的探测工作(中微子双β衰变实验)。

在实验室中有着一个低背景设备,它可以利用高精度的锗探测器检测到放射性极低的物质。
这并不是一个物理研究实验,而是一个测试材料的项目,例如我们会用它来测试制作CJPL-II的材料。

目前计划在CJPL-II进行的实验有

一个更大的重量级的CDEX。

一个更大的重量级的PandaX

锦屏地下核天体物理实验室(JUNA),建成后便可以进行天体物理中关于测量恒星核反应速率的实验。

一个粒子物理基于液体上实验氩检测器的ARDM(氩暗物质)实验

一些建议

锦屏中微子实验室可以建在CJPL中远离核反应堆的地方,因为那里的中微子通量是整个地下实验室中最低的地方。
这样有利于对太阳中微子的探测。

通过CUPID(CUORED的升级版)和MIMAC(微型TPC矩阵)的协作进行中微子双β衰变实验和定向暗物质探测器,作为目前在modane地下实验室的探测器的后续装置。

注释

早期的计划是宽度和深度均为16米,但是实际上扩建到了18米。

果是椭圆形的(面积为 27×16×π/4 = 339.3 m2)还是体育馆那种形状(面积为11×16 + 162×π/4 = 377.1 m2),他们的体积分别是4750 m3 和 5279 m3.

CJPL大厅的横截面积是不一致的。
13座半球状屋顶宽14米,长4.08米,斜度121度。
也有较小的114度倾角,他的半径大,拱形高度较小,为3.8米。
他们的横截面积分别是 179.434 和180.275 m2, 体积是 93,306 和 93,743 m2,

LNGS的大厅设计宽度为20米。
半球状屋顶最高处为18米,截面积为 20×(8+10×π/4) = 317.08 m2.

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. wikipedia

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