探秘地下2400米，规模宏大的暗物质工程——中国锦屏地下实验室

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中国锦屏地下实验室（CJPL）位于中国四川省锦屏山地下。实验室宇宙射线率低于0.2介子/m2/天。实验室处在6720米之下，是世界上最好的防干扰地下实验室。实验室实际深度2400米，然而这里也有水平出入口，方便用货车运输器械。

凿出隧道需要处理被称作“硬石”的大理石，然而在如此的深度下，这些石头带来了地质工程上的挑战，甚至比处理建造其他地下实验室时遇到的，更加坚硬的火成岩要困难。石头上一千万帕的水压也十分不方便。但是，大理石有屏蔽辐射的优势，因为这种石头中，类似钾40，镭226，钍232和铀238这样的放射性核素较少。这也导致空气中氡222含量较少。

这个实验室四川南部的凉山，距成都西南500千米。最近的大型机场是西昌青山机场，路程120千米。

历史

锦屏水力发电二坝工程包括在锦屏山下挖掘一些巨型隧道：四条规模达16.7km（10.4mi）的导水渠管可将水运输至东部，两条17.5km（10.9 mi）的交通运输隧道及一条排水渠道。听闻2008年八月的开凿，清华大学的物理学家认为这里是建造地下实验室的绝佳位置，并与水力发电公司协商在隧道群中心建造实验室。

一份正式文件于2009年5月8号签署后挖掘工作便迅速展开了。第一阶段CJPL-Ⅰ的挖掘工作持续到了2010年5月并于本年6月12日完成建设工作，其中包括一个 6.5 × 6.5 × 42 米(21 × 21 × 138 英尺)长的主要过道和另外的55 米(180 英尺)长进口隧道（总共挖掘出4，000立方米的空间）。实验室正式开幕式于2010年12月12日举办。

这个实验室位于七条平行隧道最南端的南部，交通隧道A。

CJPL-Ⅰ内的空气通风设备最初并不完备，这直接导致了仪器积灰和空气中的氡气浓度升高，直到附加通风设备安装到位时情况才有所好转。

更加艰巨的问题是，CJPL-I的墙面与水力发电工程的设备所占据的普通混凝土相连，它的自然放射性高于符合低本底实验室所要求的。第二阶段的建造会选择低放射性材料。

CJPL-II（锦屏地下实验室二期）扩建即将开展

实验室目前正准备大规模的扩建（50倍）。一期迅速完成，二期工程规划也迅速制定好。2014年工程竣工后，挖掘工人和设备已逐渐撤离。

一期工程略西处，一期水电工程修建七条隧道时保留了两条分流隧道，两条总长约为一公里（3300英尺）。它们是纵横交错的斜波隧道，连通五条水道（四条引水渠和一条排水渠）的中点至一旁及稍高于它们的通路隧道。共计210,000立方（7416092立方英尺），原计划竣工后便封堵，现已贡献给实验室，将用于设备支持。

二期扩建增加了151,000立方米（5332523立方英尺），新增开挖：部分联络通道，四个大型实验厅，每个14*14*130米（46*46*427英尺），还有两个用于掩盖大厅地板下的水箱的坑。中国的暗物质实验（CDEX）有一个深18米（59英尺）的圆柱形大坑，用以填充一个液氮罐。而上海交通大学液氙直接探测合作组（PandaX）有一个27*16米（89*52英尺）和深14米（46英尺）的椭圆坑，用做屏蔽水箱。这些大厅在2015年完工，坑井在2016年5月完工，并且截至2017年5月，已安装好通风系统和其他必需品。（比预期的2017年1月完工日期稍晚）。

这个项目竣工后，它会打破之前意大利格兰萨索国家实验室（LNGS）的纪录，成为世界上最大的地下实验室。尽管更深更厚的岩石让它的走廊比LNGS的20米主要走廊（66英尺）要窄，但是它的总长度可以达到520米（1710英尺），从而提供了比三个300米长的主通道加起来还大的室内面积（7280平方米对比LNGS6000平方米）。

CJPL的大厅比LNGS更大。CJPL的大厅本身就有93,300 立方米，再加上屏蔽坑还有9,300立方米，总共有102,600 立方米，略高于LNGS的95,100 立方米。

再加上大厅外面的服务区域，总共有200000——300000立方米的空间，LNGS的总体积为180000立方米，而CJPL的总体积是361000立方米，是LNGS的两倍。但这只是数据上的，由于INGS被设计为一个个实验室，因此它的空间利用率比CJPL要高。

由于实验室位于一个大型水电设备内，因而可以获得大量的电能。CJPL-II的电能由两条电压10千伏，功率为10微瓦的电缆供应。由于实验室只有5座250千伏安的降压器（每个实验馆一个），我们可用的电能并没有那么多。方便的水资源也有利于大功率设备的冷却。

在CJPL-Ⅱ(水当量深度)内的大气μ子当前正在测量中，数据可能与CJPL-I的稍有不同，但是肯定比加拿大萨德伯里中微子观察实验室(SNOLAB)的数值要低，也正如此，成为了世界上最深的实验室所保留的记录。

实验

目前中国锦屏极深地下实验室(CJPL) 正在进行的实验有：

中国暗物质实验（CDEX)，锗暗物质探测器所进行的探测工作。

上海交通大学液氙直接探测合作组（Pandax）暗物质粒子和天体物理氙探测器所进行的探测工作（中微子双β衰变实验）。

在实验室中有着一个低背景设备，它可以利用高精度的锗探测器检测到放射性极低的物质。这并不是一个物理研究实验，而是一个测试材料的项目，例如我们会用它来测试制作CJPL-II的材料。

目前计划在CJPL-II进行的实验有：

一个更大的重量级的CDEX。

一个更大的重量级的PandaX

锦屏地下核天体物理实验室（JUNA），建成后便可以进行天体物理中关于测量恒星核反应速率的实验。

一个粒子物理基于液体上实验氩检测器的ARDM（氩暗物质）实验

一些建议：

锦屏中微子实验室可以建在CJPL中远离核反应堆的地方，因为那里的中微子通量是整个地下实验室中最低的地方。这样有利于对太阳中微子的探测。

通过CUPID(CUORED的升级版)和MIMAC(微型TPC矩阵)的协作进行中微子双β衰变实验和定向暗物质探测器，作为目前在modane地下实验室的探测器的后续装置。

注释

早期的计划是宽度和深度均为16米，但是实际上扩建到了18米。

果是椭圆形的（面积为 27×16×π/4 = 339.3 m2）还是体育馆那种形状（面积为11×16 + 162×π/4 = 377.1 m2），他们的体积分别是4750 m3 和 5279 m3.

CJPL大厅的横截面积是不一致的。13座半球状屋顶宽14米，长4.08米，斜度121度。也有较小的114度倾角，他的半径大，拱形高度较小，为3.8米。他们的横截面积分别是 179.434 和180.275 m2, 体积是 93,306 和 93,743 m2,

LNGS的大厅设计宽度为20米。半球状屋顶最高处为18米，截面积为 20×(8+10×π/4) = 317.08 m2.

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. wikipedia

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本文选自：今日头条