“世界最大”！地下700米的这个“玻璃球”，探寻宇宙之初

2024-10-11 09:10

记者今天（10月11日）从中国科学院获悉，位于地下700米的江门中微子实验（JUNO）的中心探测器内部、世界最大的单体有机玻璃球已经全部建成，进入建设的收官阶段。

中微子是宇宙形成之初就存在的最古老也最原始的基本粒子，携带着非常多重要的神秘信息，研究中微子对于认识宇宙和我们现存的世界物质都具有非常重要的意义，也是国际最前沿的基础科学。

江门中微子实验以测量中微子质量顺序为首要科学目标，并进行其它多项重大前沿研究，其核心探测设备位于地下700米的实验大厅内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、45000只光电倍增管等关键部件组成。

江门中微子实验2013年立项，2015年开工建设地下实验硐室，2021年底，地下硐室交付使用并开始探测器安装。目前，江门中微子实验中心探测器最内层的有机玻璃球已合拢，外层的不锈钢网架和光电倍增管也在有序合拢中，预计11月底完成全部安装任务，并启动超纯水、液体闪烁体的灌装，2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。

江门中微子实验有机玻璃球内径35.4米，由263块12厘米厚的烘弯球面板和上下烟囱粘接而成，有机玻璃净重约600吨，是世界最大的单体有机玻璃球。事实上，相比其35.4米的直径，12厘米厚的有机玻璃球按比例换算，就好像鸡蛋壳一样薄。有机玻璃板材生产采用独特配方和工艺，具有高透光率和低本底的特点，其天然放射性本底铀和钍的质量占比小于一万亿分之一。有机玻璃球粘接采用大体量注料、聚合、退火的本体聚合技术，粘接缝总长度约2公里，并采用特殊方法对粘接缝进行保护。

有机玻璃球作为探测中微子的靶物质液闪的容器，将承载20000吨液闪，同时整个球体置于纯水中运行，运行中需要长期承受约3000吨的浮力，该受力通过有机玻璃节点、连接杆和不锈钢节点传递到不锈钢网壳主结构上，在连接杆上装有传感器进行受力监测。特殊设计的不锈钢结构预埋入有机玻璃中作为有机玻璃节点，经过反复设计优化和上百次试验最终获得超高承载能力，并且部分不锈钢节点采用碟簧设计方案、有效改善了有机玻璃节点的受力分布。

为了建造这一大科学装置，江门中微子实验团队集智攻关、多措并举，攻克多项技术难关：

成功研制出具有自主知识产权的国际最高光子探测效率的光电倍增管，打破了该领域的国际垄断，并获欧盟、美国、日本等的专利授权。研制出高强度、高精度、高透光率光电倍增管水下防爆系统。研发了高洁净度、高密封、高效率的液体闪烁体（简称液闪）纯化系统，获得目前国际上衰减长度最高的液闪。采用水下电子学的创新设计，以民用器件实现了航天级别的可靠性。完成有机玻璃球、不锈钢网架等探测器关键部件的设计、研制、批量生产及安装。建成国内最大跨度的深埋地下洞室，该洞室顶部起拱跨度达49.5米，相关施工属于世界级的超常规地下工程。