把實驗室建在2400米的地下圖個啥 靠極厚巖石阻擋宇宙射線

近日，首個由清華大學作為獨立法人單位承擔的國家重大科技基礎設施——“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”啟動，這標志著由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司共同建設的極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”進入加快建設新階段。

為什么地下實驗室能獲得低宇宙射線輻射的條件?在具體實驗中，這個地下實驗室如何屏蔽宇宙射線?日前記者采訪了相關專家。

靠極厚巖石阻擋宇宙射線

基于中國錦屏地下實驗室建設的“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”是我國“十三五”重大科技基礎設施10個優先啟動項目之一。設施建成后，中國錦屏地下實驗室將是世界上巖石覆蓋達2400米、宇宙線通量小于每年每平方米100個、可用空間達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。

清華大學工程物理系教授岳騫說，“本底”是粒子物理、核物理、輻射防護等領域對于在實驗研究中觀測到的對應于物理研究希望獲得的真實物理信號之外的其他電離輻射干擾信號的一種統稱。

對于暗物質直接探測實驗和中微子實驗等前沿物理實驗，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驗裝置周圍材料產生的次級放射性核素;另一種是實驗裝置所處環境的各種材料中所含的天然長壽命放射性核素，如地下實驗室周圍巖石、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動過程中與環境介質相互作用產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，宇宙射線的粒子成分主要包括質子、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。“地下實驗室的主要作用是用很厚的巖石覆蓋層來阻擋宇宙射線，進而顯著降低宇宙射線對于前沿物理實驗的本底貢獻。”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、中微子等前沿物理實驗就可以在地下實驗室的這些輻射屏蔽裝置提供的極低本底環境中開展高靈敏度的實驗研究。”岳騫說。

三類裝置加強屏蔽功效

按照計劃，中國錦屏地下實驗室地下空間中還將配套建設三類屏蔽裝置，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一步降低除宇宙射線之外的實驗室周圍巖石、混凝土、鋼材等建筑材料對于物理實驗的本底貢獻。”岳騫說，大型液氮低溫屏蔽裝置為暗物質直接探測、無中微子雙貝塔衰變實驗等提供一個良好的屏蔽系統和低溫工作環境，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，使得未來的實驗裝置可以在液氮低溫介質中“安靜”地工作;大型常溫純凈水屏蔽裝置主要是為暗物質直接探測、中微子實驗提供常溫的工作環境和良好的屏蔽系統，利用足夠厚的純凈水來阻擋外部巖石和建筑材料對于實驗的輻射本底貢獻;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，為相對小型的實驗提供機動靈活的屏蔽系統，以適應不同探測器形狀和大小的科學實驗的本底屏蔽需求。

目前，全世界正在開展粒子物理與核物理研究的地下實驗室有10余個，其巖石覆蓋厚度從數百米到2000米以上。國際上一般把巖石覆蓋超過2000米的地下實驗室稱為深地實驗室。“目前國際上只有兩個正在開展粒子物理實驗的深地實驗室，中國錦屏地下實驗室和加拿大斯諾實驗室。加拿大斯諾地下實驗室巖石覆蓋達到了約2100米，而中國錦屏地下實驗室巖石覆蓋厚度達到了2400米，是全世界巖石覆蓋最厚的地下實驗室。”岳騫說，中國錦屏地下實驗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驗室，可以方便地把大型實驗設備運輸到地下實驗室中。相比于加拿大斯諾實驗室的豎井型地下實驗室，中國錦屏地下實驗室在設備運輸、人員進出和安全管理方面更為便利。

岳騫說，國內外地下實驗室中的低本底前沿實驗一般都建設某種適合自己實驗的屏蔽裝置，基本原理大致相同，主要差別在于屏蔽系統的大小和操作便利性。中國錦屏地下實驗室由于其最深的巖石覆蓋和最大的可用地下空間，配套建設的地下屏蔽裝置規模大、種類多，還針對未來數十年的前沿科學實驗需求進行了屏蔽裝置的優化配置。盛 利