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第十九章 打怪第十集

    海狗子位于地球赤道附近的马里亚纳海沟(MarianaTrench,MarianasTrench),又名玛利亚娜海沟。

    马里亚纳海沟是一条位于菲律宾东北、马里亚纳群岛附近的太平洋底,北起硫黄岛、西南至雅浦岛附近的历史悠久的海沟。其北部有阿留申、千岛、小笠原等海沟,南有新不列颠和新赫布里底等海沟,全长两千五百五十千米,为弧形,平均宽七十千米。而据估计这条海沟已形成六千万年之久。

    马里亚纳海沟最深处的地方达六到十一千米,是地球已知的海洋的最深处。将史前时代的珠穆朗玛峰削平了填进去也无法填满。这里水压高、完全黑暗、温度低、含氧量低,且食物资源匮乏,因此成为地球上环境最恶劣的区域之一。

    而正是这一点,符合中微子探测器选址的另一个条件——足够深。

    大涅槃后,马里亚纳海沟更深了,深度达到了之前的两倍,仿佛地球裂开了一道缝,填满了和大盘机一样的海洋玻璃球,化身为大海之后,科学家在海底铺满了玻璃球,每个玻璃球直径达35米,内含2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管等关键部件组成。玻璃球球内壁,密密麻麻地排满的这两万只光电倍增管,这些椭圆形的“黄金瞳”像探测器的眼睛,将捕捉液体闪烁体发出的闪烁光,将其转变成电信号记录下来,分析是不是由中微子发出的。在阳光无法抵达的深海之中闪烁着星光点点,点亮了周围伸手不见五指的黑的。

    为适应深海环境,深海鱼的生理机能发生了很大变化。这些变化反映在深海鱼的肌肉和骨骼上。由于深海环境的巨大水压作用,鱼的骨骼变得非常薄;而且容易弯曲;肌肉组织变得特别柔韧,纤维组织变得出奇的细密。更有趣的是,鱼皮组织变得仅仅是一层非常薄的层膜,它能使鱼体内的生理组织充满水分,保持体内外压力的平衡。这就是在如此巨大的压力下深海鱼也不会被压扁的原因。另外,深海鱼类的眼睛也变得非常奇特。我们常见的金鱼,不仅颜色非常鲜艳,两只眼睛特别大,而且好玩。和金鱼比较,生活在深海里的鱼类,其眼睛结构要比金鱼眼丰富多了。一般鱼的眼睛,多生长在头的两侧,而生活在深海中的鱼,眼睛却长在头部的背部。从正面看,后鱼的两只大眼框,简直就像是竖起来的两只电灯泡。而从上往下看,两只眼睛又像两个大圆圈,占据着头部的“要塞”部位。更有趣的是,这种鱼眼能上下左右活动,其眼球的组织结构和一架望远镜差不多,而且还能自如地调整焦距。奇特的眼睛结构,几乎是深海鱼的一个共同生理特征。

    在太空远远地看向地球,完全无法发现,这里有着如此大的大盘子,和一个这星球最深的深沟子组成ErlangShen中微子神器。而他们就是人类文明的最大天眼,辨明那些虚幻的假象,一眼辨明最真实的原形。

    地下700米

    江门中微子实验位于GD省江门开平市金鸡镇,在地图上连线,这里和阳江核电站、台山核电站可以画出一个“等腰三角形”。核电站发电会产生大量中微子,物理灵敏度分析表明,实验室需距离反应堆50-55公里,实验室的选址,正好和两个核电站皆相距53公里。

    “如果只有一个核电站,实验的造价要提高一倍。”王贻芳说。因为在同样距离下,探测到的中微子数正比于反应堆放出的中微子数量以及探测器的靶质量。若反应堆减少,则探测器就要增大,从而提高实验造价。

    在地图上,江门中微子实验和阳江核电站、台山核电站构成“等腰三角形”。中科院高能物理所供图

    同时,日常环境中存在大量的宇宙射线,它们在探测器中产生的信号将比中微子信号多上亿倍。因此,中微子探测器还需要放在很深的地下,金鸡镇环绕的群山和花岗岩可以起到“屏蔽”宇宙射线的作用。

    8月,新京报记者走进江门中微子实验室,在井口乘坐缆车,顺着与水平方向呈23度角的轨道向地下700米驶进,开启了“地壳探险”。据工作人员介绍,缆车本身没有动力,下行时靠重力向下推进,上行时靠钢丝绳牵引。一旦出现钢丝绳断裂等情况导致缆车下行超速,缆车车轮的抱死装置将启动,使缆车停下,确保人员安全。

    乘坐缆车顺着斜井前往地下700米的实验大厅。

    悠长深邃的斜井中管道密布,作业的风机在呼呼作响。行至斜井深处,空气变得湿漉漉的,地面上出现了少量顺势而下的水流。“斜井刚开挖到100多米时,就出现地下涌水情况,随着隧道越挖越深,斜井最大涌水量达530立方米/小时。”这与勘查单位此前勘探时发现的最大180立方米/小时的涌水量有较大偏差。

    为了避免地下水不断涌出淹没作业面,建设人员采用了“超前探水灌浆”的施工工艺。他们沿着作业面在岩石上打九、十个孔,灌入水泥浆并掺入水玻璃使其加快凝固。水泥浆沿着岩体裂隙,将地下水封堵在30米开外的地方。建设人员开挖掘进25米后,预留5米作为保护层,继续循环打孔注浆。地下水当然也不能完全堵住,以防水压太大把洞压垮。在隧道两侧,每隔几百米留有临时集水井,部分地下水顺着隧道凹槽流入井中,被水泵抽排到地面。1265.16米长的斜井隧道就这样被一点点挖了出来。

    地下施工支洞顶拱渗水

    “地下水的压力非常大,甚至可以将钻机中实心钻杆顶歪,如果固定不牢,钻杆在水压作用下会像箭一样回射出来。”据现场从事基建工作的阎良平介绍,在地质情况如此复杂的情况下使用“超前探水灌浆”的施工工艺,水泥浆配比、注浆量、注浆压力等参数都需要重新摸索改进。经过反复实践并改进配比,他们终于找到了最优方法。

    为了通向地下实验大厅,工程还建设了一口竖井,深达564.2米,直径只有5.5米,由于不像斜井一样可以攀爬,工作人员施工时要坐着“铁桶”吊下去、提上来。

    “变形金刚塔”与“钢铁铠甲”

    缆车到达了井底,这里的岩石温度达到31摄氏度,空气闷热,地面湿滑。步行向下走了几百米,汗流浃背的记者终于来到地下实验大厅的门口。

    进入洁净间之前,所有人需要穿上洁净衣、罩住头发、戴上手套和鞋套、经过风淋室吹淋。风淋室的大门向上开启,像置身于科幻电影中一样,一个巨大的钢球和一个通天钢塔直观地矗立在记者眼前。

    液压升降平台好似“变形金刚塔”,全程服役于有机玻璃球的安装。中科院高能物理所供图

    “我们正处在一个巨大坑洞的坑底,实验大厅高71米,跨度达49.5米,是目前国内跨度最大的地下洞室,内有44米深的水池。”阎良平说,地下大厅没有一根立柱支撑,为了防止塌陷,穹顶和洞室四周布满锚索,锚索深深扎入岩体,像拧紧的螺栓一样对岩石施加预应力,将岩石牢牢固定住。

    未来,江门中微子实验的中心探测器——球形液体闪烁体探测器将浸泡在地下实验大厅内44米深的水池中央,它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球,以及2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

    颇具美感的巨大“钢球”,就是中心探测器的主支撑结构——不锈钢网壳,它为其内部与之间隔2米的有机玻璃球穿上了“钢铁铠甲”。液压升降平台可谓“变形金刚塔”,它的直径和高度逐层可变,全程服役于有机玻璃球的安装。

    从水池顶端俯瞰不锈钢网壳全貌。中科院高能物理所供图

    未来,探测器建成后,容纳探测器的水池将“封盖”,探测器将“不见天日”地运行30年。为了抓住难得的机会看看探测器内部结构,记者手脚并用,在仅能容纳一人的狭窄钢梯通道上攀爬起来。实验大厅的空调使这里的温度保持在21摄氏度,但爬上12层楼高的平台后,记者额头已经微微冒汗。

    支撑有机玻璃球和各种仪器设备的“钢球”,使用了大约900吨低放射性的不锈钢材料。“相比碳钢,不锈钢比较软,很难得到需要的刚度和精度,价格也昂贵。但钢球要泡在水中30年,所以还是得用不锈钢。”王贻芳说,为了保证实验大厅的洁净度,同时确保不变形,整个钢结构没有一处焊接,科研人员用12万套高强螺栓将不锈钢构件拼接成型。

    最大的玻璃球

    实验探测器的研制有三个技术挑战,其一就是研制世界上最大的有机玻璃容器。

    在大钢球内,有机玻璃球的安装刚刚开始。工程人员揭开覆盖物,晶莹剔透的玻璃板露出光彩。“这是目前已知的最干净、透明的有机玻璃,肉眼就能明显看出它和普通有机玻璃的区别。”王贻芳流露出自豪的神情,他说,为了达到透明度的指标,生产厂家新建了生产线,对各种材料成分进行了改进,生产工具、模具也进行了特殊的处理。

    有机玻璃球厚12厘米,但对于直径35.4米的玻璃球来说,12厘米薄如蛋壳。科研人员准备了265块球形有机玻璃板,最大的一块9米长、3米宽,它们将被分层逐一粘接,拼成玻璃球。粘接材料不是普通的胶水,而是有机玻璃本体材料。

    从水池顶端俯瞰,黑色的水池内壁十分醒目,工作人员可以在不锈钢网壳内的平台上安装有机玻璃球。新京报记者张璐摄

    此前,国际上最大的有机玻璃球直径12米,用于加拿大SNO中微子探测实验,但现场建造的过程中出现过开裂,经过反复修补,折腾了2年才完成。此次江门中微子实验的有机玻璃球直径达35.4米,面积相当于国外的10倍,要求工期却只有10个月。

    江门中微子实验项目总工程师马骁妍告诉新京报记者,此前进行设计时,他们邀请了很多国外的评委进行方案评审。“人家觉得不可想象,说只要你们能把这球做出来,用多长时间都行。但我们的实验要跟国际上其他实验竞争,不能慢了。”

    尺寸大、精度高,是有机玻璃球研制的最大难点。前期设计上,科研团队集结了国内高校和科研单位力量,不断优化方案。玻璃球设计得厚一些,结构可靠度自然高,但是设计团队还需要考虑成本。

    在生产制造环节,一般的厂家也不敢轻易接手。“这么大一个球,哪个厂家都没做过,我们考察了大量厂家,和3个候选厂家一起做了两年的预研工作。一方面考察厂家的生产制造实力,一方面考察他们的科研素养。厂家的科研团队要和我们一起琢磨这个事情,不断摸索优化。”马骁妍说,有机玻璃生产企业以往做的大多是海洋馆项目,就算使用过程中出现一些问题,一般都可以提前观察到并及时进行处理,但探测器未来将在封闭的水池中运行30年,没有机会进行修复,不容有失。为此,科研人员用小的玻璃样块,不同种类的模型,反复试验。

    玻璃板在工厂生产时,就要经过板材浇筑、烘弯、加工、聚合、退火、打磨抛光、清洁、贴膜等多道复杂工序,来到现场还要再吊装、拼装、测量、聚合、退火以及拼接缝处的打磨、抛光、清洁、贴膜等。目前玻璃板正从上往下逐层安装,可以最大程度避免落物对有机玻璃造成损坏。光是玻璃球的安装方案,科研团队就讨论了三年,把所有细节和问题想得清清楚楚。

    接下来的安装环节仍面临极大挑战,马骁妍很沉稳,“虽然已经做了大量实验,但现场环境毕竟不同,我们要慢慢来、开好头,把各个环节理解透”。

    “大仪器设备的生产,我们通常会培育两家以上企业,避免只有一家企业时发生突然加价的情况。”王贻芳说,如何把钱用在刀刃上,是一个大装置负责人时刻要考虑的问题。工程指标、可实施性、科学目标、经费、工期等各方面都要做到平衡。

    最透明的液闪

    未来在水池中,有机玻璃球内外会先同时注满最纯净的水,灌装过程使其内外压力保持平衡。此后,科研人员会将球内的水用置换的方法换成2万吨液体闪烁体(液闪),液闪将和光电倍增管共同探测中微子被“俘获”时产生的闪烁光。

    江门中微子实验探测器示意图。中科院高能物理所供图

    世界上最透明的液体闪烁体,是探测器研制的第二个难关。

    “液闪的衰减长度大于20米。”江门中微子实验项目液闪纯化子系统负责人蔡啸解释说,光在经过一段距离后会逐渐衰减,当其强度变成原来的1/e(约为0.37)时,这段距离就叫做衰减长度。中微子被“俘获”时产生的闪烁光本身就很弱,如果液闪不够透明,衰减长度比较短,闪烁光将在传输过程中变得更弱,更难被光电倍增管探测到。

    他进一步解释说,从光学性能讲,评价液闪透明度的关键指标是衰减长度。同时,从放射性角度讲,液闪中的放射性杂质去除得越干净越好。“我们要求放射性铀的含量是10的负17次方。”

    如何将液闪变得更透明?蔡啸带记者来到了液闪纯化大厅,对四套纯化设备进行一一介绍。液体闪烁体最主要的材料是烷基苯,这种透明的油状液体是制作洗涤剂的原材料。通过管道运抵大厅的特制烷基苯,出厂时衰减长度已然高达15米到20米。

    “彭老!”