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说起这个锦屏地下实验室,很多人可能头一次听说,但这地方真不是吹的,它就窝在四川凉山彝族自治州锦屏山里头,埋得老深了,足足2400米地下。
宇宙射线在这里弱得几乎测不出来,只有地表的一亿分之一,这条件在全球地下实验室里头是顶尖的。
实验室跟锦屏水电站挨着,利用了电站的隧道系统,交通方便,设备运输不用费劲抬上抬下,开车就能进去。
整个设施由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司一起管,起步于2000年代初的水电项目勘探。
这事儿得从2003年说起,国家在那时候规划雅砻江流域建水电站,利用四川盆地和云贵高原的落差发电。
勘探队在锦屏山谷地转悠,发现地质结构特别稳,岩层厚实,不光适合水电,还能挖出地下空间搞科研。专家们一合计,干脆把实验室和电站绑一块儿建,省事儿还高效。
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2008年8月,隧道打通的消息一出来,清华的物理学家们眼睛亮了,他们正愁没地方做粒子实验,赶紧联系水电公司,谈共建。
协议在2009年5月签了,清华和水电公司联手,实验室一期工程马上动工。挖洞室不是小事儿,地下2400米,岩石硬度高,水压大,但他们用隧道钻机和爆破技术,一步步推进。
到2010年5月,主厅挖好,宽6.5米,高6.5米,长42米,加上接入隧道,总空间4000立方米。
6月建完,12月正式启用。这填了中国深地实验室的空白,以前国内科学家得跑到韩国借地方做实验,现在自家有地儿了。
一期刚跑起来,研究就跟上了。主攻粒子物理和核天体物理,像是暗物质探测和中微子研究。
为什么非得地下这么深?因为地表宇宙射线太多,会干扰精密测量,岩层厚了就能挡住大部分,实验数据准。
首批项目有CDEX,用锗探测器找暗物质;PandaX,用液氙做暗物质和无中微子双贝塔衰变实验。还有低本底计数系统,测材料辐射,帮助选低放射性东西建设备。
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实验室的优势不光深,还大。相比国外矿井型实验室,比如加拿大SNO或美国Dusel,得坐电梯下去,设备运送麻烦。这里用电站隧道,开车直达,电力从水电站直供,水源也足。
岩石是大理岩,辐射低,氡气析出少,适合极低本底环境。宇宙线通量低于0.2缪子每平方米每天,水当量深度6720米,比意大利Gran Sasso深得多,屏蔽效果全球第一。
2014年,二期启动,叫锦屏大设施,列入十三五国家重大科技基础设施。目标扩容50倍,可用空间从4000立方米跳到33万立方米。
利用电站的旁路隧道,再挖151000立方米,包括四个14米宽14米高130米长的实验厅,连接隧道,还有两个屏蔽坑:一个圆柱坑深18米,直径18米,放液氮恒温罐;一个椭圆坑长27米宽16米深14米,用水屏蔽。厅室2015年底挖完,坑2016年5月完工,通风和装修接着干。
建二期遇到的难题不少,地下岩爆、涌水风险大,空间越大塌方越容易。他们用微震监测和应力爆破技术,安全挖洞。爆破时得小心,不能震动影响一期实验,像保护古董一样施工。
氡气控制是关键,岩体虽好但会析出放射性气体,他们创新防水抑氡工艺,选低辐射材料,建了全球最长新风系统,风管10公里,确保空气纯净。还造了最大物理实验液氮罐和聚乙烯屏蔽舱,推动深地工程技术进步。
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2020年12月,二期正式开工,三年多后,2023年12月7日,土建完工,投入科学运行。
首批10个实验组从清华等单位进来,空间扩到30万立方米,条件更优。研究领域拓宽了,除了粒子物理,还加了深地岩体力学、深地医学。
像是JUNA项目,测恒星核反应;CUPID,探无中微子双贝塔衰变;MIMAC合作的方向性暗物质探测器。低反应堆中微子通量,适合测太阳和地中微子。
成果出来了,高水平论文一大堆,好几篇上Nature,教育部自然科学一等奖也拿了。培养出6个国家杰青。暗物质研究从跟跑到并跑,现在开始领跑。
实验室成了国际交流平台,吸引全球科学家合作,办TAUP和暗物质识别会议。跟Gran Sasso和SNOLAB比,锦屏不光深大,还交通好,基础设施全,电力1250千伏安,水源稳定。
实验室主任程建平,北京师范大学党委书记,早年从清华起步,专攻粒子物理。他从一期就管,强调开放共享,契合四个面向要求。作为国之重器,这地方不只物理,还为深地科学提供平台。
未来,多学科交叉会更强,推动科技自立。锦屏从水电站副产品,变成全球深地科研中心,证明基础科学投资值。
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想想看,这实验室起步时,中国在深地领域空白,现在全球顶尖。靠的就是地质优势和工程实力结合。水电站隧道长17.5公里,最深交通隧道,山体屏蔽宇宙射线,辐射极低。
科学家梦寐以求的地方,从2008年发现机会,到2010年一期运行,再到2023年二期投用,一步步走实。研究不光暗物质,还扩展到核天体、生物,交叉潜力大。
国际上,其他实验室有优势,但锦屏综合条件最好。Gran Sasso空间大,但深度浅,宇宙线多点。SNOLAB深,但矿井型,进出不便。
锦屏水平接入,设备运送易,通风系统长,确保低尘低氡。辐射本底最低,宇宙线通量最小,可用空间最大。这些硬指标,让它脱颖而出。
运行一年后,2024年底,实验室继续产出。暗物质探测灵敏度提高,PandaX和CDEX规模上吨级。JNE一吨原型测太阳中微子,数据准。岩体力学组研究深地应力,医学组看地下对人体影响。合作项目增,海外团队来访,推动全球前沿。
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