10月10日的江門中微子實(shí)驗(yàn)探測器。倪思潔攝

工人們正在進(jìn)行安裝的收尾工作。倪思潔攝

不銹鋼網(wǎng)殼正在合攏之中。倪思潔攝

液體閃爍體和水在一起時(shí)，液體閃爍體會像油一樣浮于水上。倪思潔攝

被防水不銹鋼波紋管包裹的電纜從水池底部伸至水池外的電子室。倪思潔攝

“江門中微子實(shí)驗(yàn)探測器整體安裝工作已完成95%，預(yù)計(jì)在11月底完成全部安裝任務(wù)?！?0月10日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

江門中微子實(shí)驗(yàn)是以測量中微子質(zhì)量順序?yàn)槭滓茖W(xué)目標(biāo)的大科學(xué)裝置，位于廣東省江門市開平市，地下深度700米。探測器大約有13層樓高，中心是巨大的有機(jī)玻璃球；球被金屬桿連接在外側(cè)的不銹鋼網(wǎng)殼上；網(wǎng)殼內(nèi)壁、外壁布設(shè)大量光電倍增管；玻璃球和網(wǎng)殼被置于圓柱形水池中。

記者在江門中微子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場看到，目前有機(jī)玻璃球已合攏，不銹鋼網(wǎng)架和光電倍增管也在有序合攏中，建設(shè)工作進(jìn)入了收官階段。

“之后，探測器將被密封并灌裝超純水、液體閃爍體?！蓖踬O芳說，這也意味著未來30年，人們將無法進(jìn)入探測器內(nèi)部，也無法對其中的設(shè)備進(jìn)行維修。

江門中微子實(shí)驗(yàn)于2013年立項(xiàng)、2021年底正式開始探測器安裝，至今安裝工作已耗時(shí)3年。這3年，江門中微子實(shí)驗(yàn)安裝過程經(jīng)歷了什么？

拼出大球和大網(wǎng)殼

中心探測器里的有機(jī)玻璃球，是世界最大的單體有機(jī)玻璃球，直徑35.4米。

江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副經(jīng)理、中心探測器系統(tǒng)負(fù)責(zé)人衡月昆介紹，有機(jī)玻璃球的安裝耗時(shí)27個(gè)月，安裝過程中發(fā)現(xiàn)諸多缺陷，經(jīng)過不斷調(diào)整后，才最終完成建設(shè)。

有機(jī)玻璃球由263塊12厘米厚的烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，凈重約600噸。有機(jī)玻璃板材生產(chǎn)采用獨(dú)特的配方和工藝，具有高透光率和低本底的特點(diǎn)，其天然放射性本底鈾和釷的質(zhì)量占比小于一萬億分之一。

“為防止氡及其衰變子體污染有機(jī)玻璃，我們在建設(shè)過程中用膜材料和帶有水溶膠的紙對有機(jī)玻璃表面進(jìn)行保護(hù)。有機(jī)玻璃球粘接采用大體量注料、聚合、退火的本體聚合技術(shù)，粘接縫總長度約2公里，我們也采用了特殊方法對粘接縫進(jìn)行保護(hù)?！焙庠吕フf。

用于支撐有機(jī)玻璃球的不銹鋼網(wǎng)殼是目前國內(nèi)最大的單體不銹鋼主結(jié)構(gòu)，直徑41.1米。

王貽芳介紹，不銹鋼網(wǎng)殼歷時(shí)5個(gè)月才安裝完成。為了避免地下電焊帶來的施工安全隱患和尺寸精度的不確定性，項(xiàng)目采用擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的12萬套高強(qiáng)螺栓拼出了不銹鋼網(wǎng)殼。

“相比其35.4米的直徑，12厘米厚的有機(jī)玻璃球按比例換算，就好像雞蛋殼一樣薄。裝置運(yùn)行過程中，有機(jī)玻璃球承受的力將通過金屬桿傳遞到網(wǎng)殼主結(jié)構(gòu)上。建設(shè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和上百次試驗(yàn)才最終實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)殼的超高承載能力，部分不銹鋼節(jié)點(diǎn)還采用碟簧設(shè)計(jì)方案，有效改善了有機(jī)玻璃節(jié)點(diǎn)的受力分布。”王貽芳說。

據(jù)悉，在不銹鋼網(wǎng)殼設(shè)計(jì)與預(yù)研過程中，建設(shè)團(tuán)隊(duì)獲得了多項(xiàng)技術(shù)發(fā)明專利，帶動(dòng)了相關(guān)制造企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展并提升了綜合實(shí)力。其中，不銹鋼短尾環(huán)槽鉚釘技術(shù)經(jīng)中國機(jī)械通用零部件工業(yè)協(xié)會鑒定，首次用于不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)并發(fā)布，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

已做好液體灌裝準(zhǔn)備

安裝完成后，項(xiàng)目組將為水池灌裝超純水，并為有機(jī)玻璃球灌裝液體閃爍體。屆時(shí)，有機(jī)玻璃球?qū)⒄嬲兂伞八颉薄?/p>

“有機(jī)玻璃球內(nèi)灌裝的液體閃爍體，是探測中微子的靶物質(zhì)，中微子與其反應(yīng)并發(fā)光；有機(jī)玻璃球外灌裝的超純水，一方面是為了屏蔽環(huán)境中的放射性本底，另一方面是為了探測宇宙線產(chǎn)生的切倫科夫光、排除宇宙線對探測中微子的干擾。”衡月昆說。

中微子在液體閃爍體中可以發(fā)出微弱的光，光會被有機(jī)玻璃球外的光電倍增管接收并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺虼?，?shí)驗(yàn)對液體閃爍體透明度的要求很高。

“這是國際上前所未有的一項(xiàng)大工程。”衡月昆介紹，江門實(shí)驗(yàn)液體閃爍體組在大量研究、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制液閃原材料的純度和生產(chǎn)工藝，研發(fā)了高潔凈度、高密封、高效率的液閃生產(chǎn)和純化系統(tǒng)，成功獲得了光傳輸衰減長度大于20米的液閃，是目前世界最好水平；另外，液閃中的放射性雜質(zhì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有負(fù)面影響，需嚴(yán)格控制，要求2萬噸液閃中的灰塵量小于8毫克。

目前，對于液體閃爍體的制備，項(xiàng)目組已經(jīng)完成4次聯(lián)合調(diào)試，為2025年初的正式灌裝做好了充分準(zhǔn)備。

由于江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組研發(fā)的液體閃爍體密度比水小，會像油一樣漂浮在水上，在灌裝過程中，項(xiàng)目組會先在有機(jī)玻璃球內(nèi)外注入超純水，注入過程中保持內(nèi)外水面高度一致，以控制內(nèi)外壓力平衡，再從玻璃球上端的煙囪口向有機(jī)玻璃球里灌注液體閃爍體，并從玻璃球下端的煙囪口排水。

已安裝的電子學(xué)性能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)

“江門中微子實(shí)驗(yàn)將于2025年8月正式運(yùn)行取數(shù)，預(yù)計(jì)運(yùn)行約30年?！蓖踬O芳說。

在現(xiàn)場，所有光電倍增管連接的電纜都被防水不銹鋼波紋管包裹著，向上集中至水池外部的電子學(xué)間。探測器的數(shù)據(jù)將源源不斷通過電纜傳到電子學(xué)間，再通過網(wǎng)絡(luò)傳到中國科學(xué)院高能物理研究所的計(jì)算中心。

江門中微子實(shí)驗(yàn)對電子學(xué)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造也提出了極高的要求。

王貽芳介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)20英寸光電倍增管讀出電子學(xué)包括約2萬個(gè)通道，全部采用高速波形采樣技術(shù)，要求單光子能量分辨優(yōu)于10%、水下模組的故障率在6年內(nèi)小于0.5%。

從2019年開始，團(tuán)隊(duì)大膽采用國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的核心器件，包括高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片及前端放大芯片，攻克了高性能前端芯片“卡脖子”問題，解決了大動(dòng)態(tài)范圍高速波形采樣系統(tǒng)關(guān)鍵問題，完成了大量老化實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高可靠性的目標(biāo)。在江門現(xiàn)場的安裝測試中，已安裝電子學(xué)的噪聲性能明顯優(yōu)于指標(biāo)要求。

王貽芳介紹，建成后，江門中微子實(shí)驗(yàn)將成為國際中微子研究的中心之一，與日本的頂級神岡中微子實(shí)驗(yàn)（Hyper-K）和美國的深部地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）形成中微子研究的鼎足之勢。

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-10-14?第1版?要聞）