网站地图联系我们English中国科学院
您现在的位置:首页 > 科学传播 > 著名实验室
法国Modane地下实验室
2011-03-02 | 文章来源: | 浏览次数:  |

  一、位于法国与意大利隧道中央的Modane地下实验室

  法国Modane地下实验室位于法国东部罗纳 — 阿尔卑斯大区(La région Rhône-Alpes)萨瓦省(La Savoie)的边境小镇Modane地下,简称LSM(Le Laboratoire Souterrain de Modane)。LSM深藏于阿尔卑斯山脉弗雷瑞斯山峰(Le Mont Fréjus)下1700m的岩石中,处于连接法国萨瓦省和意大利西北的皮埃蒙特(Piémont)大区的弗雷瑞斯交通公路隧道(Le Tunnel Routier de Fréjus)的正中央,离入口处约6.5公里。LSM地下实验室面积400m2,空间容积约3500m3

  

  LSM位置示意图   

  LSM创建于20世纪80年代初,是法国国家核物理和粒子物理研究所(IN2P3,Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules)与宇宙学研究所(IRFU,Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers)的一个联合实验室,二者又分别隶属于法国国家科学研究中心(CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique)和法国原子能署(CEA,Commissariat a l’Energie Atomique)。   

  

  LSM的地理位置  

  

  LSM地下实验室入口  

  LSM1982年正式开放,最初用于屏蔽大气中的宇宙射线,探测质子潜在的不稳定性,开展天体物理的基础研究,揭示宇宙的奥秘(起源、组成和演变)。1988年后,通过国际合作,研究扩展至暗物质、中微子、双β衰变和超重化学元素,涉及核物理、粒子物理、宇宙学、地球科学、光谱学、微电子学等诸多学科领域,主要开展了四大实验:EDELWEISS、NEMO、TGV和SHIN。同时,它拥有14台高质量高纯锗探测器组成的γ能谱超低本底放射性核素测量平台,用于环境监测、材料遴选、年代准确鉴定和半导体存储器静态测试。该平台为世界不同国家和地区的低放射性水平样品提供高灵敏度的测量服务。  

  

  γ谱仪大厅

  LSM虽鲜为人知,却是个超乎寻常的实验室,也是法国唯一的一个地下实验室,深度为欧洲之最,在世界上仅次于加拿大的SNOLab(深度2千米)。日前它正积极进行升级扩建工程,为未来大型实验开辟新的场所。除10多名永久雇员外,它汇集了全球100多名来自天体学、海洋学、葡萄酒学、电子学、考古学、医学、物理学等不同领域的研究人员、工程师和技术人员。他们在远离尘嚣、设备齐全的科学天地中开展实验。

  

  

  LSM实验室示意图

  

  

  世界地下实验室分布图  

  LSM是欧洲地下实验室组织(还包括意大利的LNGS,Gran Sasso,西班牙的LSC,Canfranc, 英国的BUL, Boulby),及欧洲粒子物理、天体物理和宇宙学交叉学科学研究促进计划项目(ILIAS)的重要成员,并在2005年与俄罗斯杜布纳联合原子核研究所(JINR,Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russie)、2009年与东欧布拉格捷克科技大学(Czech Technical University, Tcheque)签订了国际合作协议。同时,它与法国国家核物理和粒子物理研究所(IN2P3)、法国原子能署(CEA)分散在法国国内的其它实验室也有着很好的交流和合作。

  二、历史回顾

  1979年,一项社会需求和一项科学需求不谋而合,计划启动:

  * 法国交通部决定在阿尔卑斯山中开凿一条隧道,连接法国的Modane和意大利的Bardonecchia,以便利两国的交通和交流。

  * 法德物理学家为检验粒子物理理论,提出进行质子潜在不稳定性实验,名为SU5,旨在用实验证明粒子间不同类型的相互作用力可以统一,即大统一理论(théories de Grande Unification),从而进一步推动人类对宇宙的认识。实验必须屏蔽宇宙射线,在地下实验室完成。

  1980年:项目初研,工程动工。

  1982年:挖掘工程完工,LSM实验室开放。

  1983-1988年:SU5实验前后大约进行了6年,最终并未在质子灵敏度的极限测到其不稳定性。实验表明质子寿命比预计要长,因此SU5理论被排除。但该实验为界定“大统一”模型积累了富有价值的资料。

  在质子研究接近尾声之际,物理学家们很快意识到了地下实验室具备的独特优势:宇宙线几乎完全被屏蔽,流量超低,那么可以开发新的多学科“地下活动”,研究非常罕见的物理现象(暗物质、双β衰变)以及环境科学(海洋学、年代鉴定、低放射性水平测量)。

  1991年:开始进行NEMO II闪烁体的研发。

  1998年:暗物质研究装置EDELWEISS I安装,并准备安装双β装置NEMO III。

  2000年:建设NEMO III。

  2002年:启动NEMO III,又称NEMO Day。

  2003年:为保障安全,在实验室入口处建造了两道防火门。

  2005年:安装EDELWEISS II。

  2007年:EDELWEISS II两台新探测器的安装和运行使法国在寻找WIMPs粒子、直接探测暗物质方面跻身世界前列。

  2011年1月11日,NEMO III终止运行。

  2009至2013年:LSM将利用地下公路隧道扩建的好时机扩建自己的实验室,预计实验室的使用空间达到6万m3

  三、揭示宇宙奥秘的理想实验场所

  高能初级宇宙线由以下物质组成:

  * 质子(占85%--90%)

  * 氦核(占9%--14%)

  * 较重原子核

  * 微量反物质和正电子

  * γ射线和中微子

  来自宇宙的粒子不分昼夜、持续不断地辐射到地球表面。它们与高层大气的原子核(氮,氧)相互作用,产生瀑布般的次级粒子流,包括π介子,k介子,μ子,电子,中微子等。

  低能宇宙线来自太阳,中能宇宙线来自更遥远的星系,譬如:超新星和脉冲星。

  最近,阿根廷Auger实验室的一项研究表明:能量最高的宇宙线来自星系核。星系核中存在众多黑洞,黑洞是体积超级庞大的超新星在演变过程中的最后阶段。在黑洞中,发生着宇宙中最剧烈最强撼的运动。

  早在1930年,科学家们就发现了宇宙线,并指出:质子、电子等基本粒子也可以“自由”地漫游到物质之外。不久,人们在寻找和研究罕见物理现象的同时,发现这些宇宙线严重干扰了科学实验,譬如:测量质子稳定性、研究双β衰变,探测暗物质等。这些实验不可能在地球表面进行,必须在地下实验室完成。因为覆盖地下实验室的岩层有效地屏蔽了地面上来自太阳和太空的宇宙线,包括质子、中子、电子、κ介子、π介子、μ子等干扰实验的粒子,使实验精确度大大提升,使研究非常罕见的物理现象成为可能。此外,它为在地表无法实现、需要超低本底的实验提供了理想场所。

  在阿尔卑斯山的Fréjus山顶,宇宙线流量为1千万/m2/日;在地面,8百万/m2/日;而覆盖地下实验室1700米厚的岩层(等效于4800米的水当量)构成了有效屏蔽,将宇宙线流量减少了2百万倍,仅剩4个/m2/日。所以LSM的科学家们几乎在无任何干扰的情况下开展实验。

  20世纪40年代,科学家在高山之巅研究宇宙线时发现:除电子、质子和中子外还存在其它粒子。为研究这些“新”粒子的性质,各国都建造了粒子加速器。如今,随着科学的进步,粒子加速器的规模越来越大,能量越来越高。科学家因此发现了许多影响物质和物质间相互作用的重大物理规律,特别是建立了“无限大”和“无限小”之间的深刻关系,换言之:建立了粒子物理和天体物理之间的关系,即通过观察不可见却真实存在的粒子无限小现象来揭示大宇宙的奥秘。

  四、LSM的四大物理实验

  1.EDELWEISS:探测WIMPs粒子,寻找暗物质

  在晴朗的夜晚,人们可以举头惬意地欣赏深邃的天空和耀眼的星星。借助望远镜,天文学家可以观察到肉眼看不到的星星和其它太空物质。现在,借助更复杂精密的仪器,甚至能够将宇宙的“可见”物质列出完整的清单。但遗憾的是:70年来,天体物理学的诸多研究资料(宇宙射线各向异性的测量,对遥远超新星的光研究,星系群物质分布的研究)表明:人类迄今仅认知4%的宇宙,而对剩余的,约23%的暗物质和73%的暗能量,几乎还一无所知。它们的数量和质量如此庞大,几乎主宰了物质的运动和演化过程,强烈地影响了宇宙的大规模运动。对未曾揭开谜底的、不可见的、隐藏在“黑暗”和“混沌”中的暗物质的研究是现代宇宙学和天体粒子物理学的重大基础前沿课题。LSM的Edelweiss实验期望将人类对宇宙的认知率提高到30%。  

  

  地球以30km/s的速度围绕太阳旋转,而整个太阳系以220km/s的高速度围绕银河系中心(简称银心)旋转。可以天马行空地想象一下:2000亿颗星在广袤的太空,舞动着绝妙的芭蕾。

  30年来,科学家们注意到了这些星体不可思议的高旋转速度。他们将可见星的总质量作为星系的总质量,便计算出每一颗星的旋转速度。但实际上,这些星的旋转速度要比理论计算的快得多!

  因此,科学家们推断:有“暗物质”潜伏着!  

 

  什么是“暗物质”?星系中心存在不发射任何光和电磁辐射的物质,称为“暗物质”。

  科学家们猜想暗物质是很小的星星,不能发出灿烂的光。但最近的研究表明,这部分“黯淡”的星最多占暗物质总量的10%。其它未知的粒子,自宇宙大爆炸以来就一直存在着的,可能构成暗物质群。

  延伸粒子物理标准模型是欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)的实验目的。它预言了一种与物质相互作用非常弱的基本粒子WIMPs,其总体体积庞大,可以围绕星系形成气体云,但其单个粒子的大小仅约为原子核的10亿分之一(原子核:10-12cm)。因此推断:WIMPs粒子如此之小,以至于它可以自由地穿越地球上所有的物质,但其中只有很小的一部分与我们周围的物质发生作用。地下实验室最大可能地屏蔽了宇宙射线,使观察WIMPs粒子成为可能。LSM的Edelweiss实验专门进行暗物质研究,试图寻找和直接探测科学家们假设的暗物质候选者:WIMPs粒子。

  工业用的锗探测器不能适用于地下实验室超低本底环境的暗物质研究,因此,LSM在欧洲粒子物理、天体物理和宇宙学交叉学科学研究促进计划项目(ILIAS)的框架下,设计和制造了自己的探测器。

  Edelweiss实验组从20世纪90年代开始研发第一代超低温锗探测器Edelweiss I。它能够分辨WIMPs粒子弱相互作用的信号和天然放射性核素产生的干扰信号。自2006年以来,实验组与德国、俄罗斯和英国的科学家们合作,共同开发了高灵敏度高纯锗的新一代探测器Edelweiss II。它由高性能的低温恒温器、铅屏蔽、聚乙烯屏蔽、闪烁体等组合而成,最大限度地隔离了周围放射性核素对探测器的干扰。2007年又研发了新型锗探测器,使探测WIMPs粒子的能力大大提高,同时也使法国跻身暗物质直接探测的领先行列。

  

  

  新型锗探测器英文名为InterDigit,简称ID,仅重400g,2008年通过测试,2009年应用于WIMPs的首次研究。它表面配置电极,可立竿见影地排除天然放射性核素的干扰,是目前世界上寻找暗物质最有潜力的探测器之一。在短短6个月里,10台ID表现出优良的稳定性,直接探测能力达到先前的10倍以上。2009年12月底Edelweiss II公布了的物理研究成果,发表于Phys. Lett. B 681 (2009) 305-309和Phys. Lett. B 687 (2010) 294-298上。预计未来,LSM用于探测WIMPs粒子的探测器数量还将三倍增长,达到50台,最终甚至达到100台。

  ID锗探测器,亦被称作热辐射测量仪,运行在接近零下273.15oC的低温。它可测量达到百万分之一精确值的温度,并可同时对锗原子与一个WIMPs粒子发生对撞后锗原子核的反冲能量进行精确测量。  

  

  热辐射测量仪和温度传感器NTD  

  LSM还研发了铌硅锗探测器(GeNbSi),功能与ID锗探测器相同,还有球形热电离锗探测器、中子探测器等。

  

  

  另外,LSM还通过改进蒸发系统技术研发了更新型的探测器,实现基准质量从ID200到ID400,再到FID400和FID800。2010年7月3日,4台FID800安装在低温恒温器中。

  

  

  FID800和安装

  由于所处地下1700米的特殊地理位置,Modane地下实验室有效地屏蔽了时刻照射人类的宇宙射线。同时,科学家们还需要避免探测器受到天然放射性核素的潜在干扰,因此所有建造探测器的材料都经过严格筛选、精确测试,为最低放射性水平。高标准的选材也极大地提高了探测器的灵敏度和纯度。

  然而,地下实验室中的岩石、建筑材料,甚至物理学家本身也具有放射性。所以为探测器建造密封的厚厚的屏蔽十分重要。可是,铅屏蔽中的铅本身也具有放射性,而且现代化的铅都残留着低水平的放射性。然而,古代的铅,却几乎是零放射。

  Edelweiss使用了从法国西部布列塔尼海域一只失事的老凯尔特船中回收的铅。该船在公元400年左右从英国出发,在七岛屿区沉没。船身已经完全消失,导致铅裸露,共270块,重22吨。回收后的铅进行重新纯化和熔化,制成铅块,用于保护高灵敏度的探测器,制造锗光谱仪,闪烁体和热辐射测量仪。

  不久的将来,距Modane镇200公里的欧洲核子研究中心(CERN)期待着直接生产出WIMPs粒子,而LSM则期待向世人证明这些粒子实际上无处不在,充斥着我们的星系---银河系。

  2.NEMO:中微子和双β衰变研究

  LSM的NEMO ( Neutrino Ettore Majorana Observatory )实验,研究中微子和双β衰变。

  中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源和演化有关。

  粒子物理的标准模型认为:中微子是零质量的基本粒子。尽管它在宇宙中的数量多如牛毛,但至今仍是众多粒子中最神秘莫测的粒子,被了解的最少。两个基本问题待解决:

  (1)中微子的质量? 如果有,为何如此之小?绝对质量值是多少?

  (2)中微子的性质? 英国保守派科学家Paul Dirac和意大利年轻的理想主义物理学家Ettore Majorana持有两种对立的观点。Dirac认为中微子不等于反中微子;而Majorana提出:中微子的反粒子就是它自己,也就是说,对于中微子,物质和反物质一体,这个特性可以解释组成宇宙的物质是如何产生的。

  天气晴朗时,太阳的万丈光芒照耀大地。此时的可见光最多也最明显,但同时还有肉眼看不见的辐射,如紫外线(造成中暑和炎热)、红外线、X射线(被高层气流吸收)。

  太阳也是中微子的发射源,来自太阳的核聚变反应;但中微子同样能够来源于地球本身,我们的周遭环境,比如核电站、各种物质的衰变等。有时,来自遥远的超新星、类星体和耀变体强烈的大爆炸也会产生中微子云团。

  中微子是最轻的粒子,是所有粒子衰变的最终产物,因此宇宙中积存了大量自大爆炸以来产生的中微子。中微子不带电,电荷中性使它几乎不与任何物质发生反应,只参与非常微弱的弱相互作用。最新资料表明它有质量,但非常微小(尚不能准确地测量),中微子的质量直接影响到宇宙间物质的分布。它无处不在却难以捕捉,号称“隐身人”,以接近光速的速度遨游于太空。尽管每秒钟有1万亿个中微子穿越我们的手、身体,但我们很难发现它们的踪迹,难以对其展开研究。

  

  

  无处不在的中微子源:

  太阳核聚变:640亿/cm2/s

  银河系的超新星核聚变:10秒钟内50亿/ cm2/s

  宇宙大爆炸:300个中微子残骸/cm3

  核反应堆的β衰变:200公里处10万/cm2/s

  人类自身钾40和炭14原子的β衰变:8000个/s

  地球物理和大气起源时的β衰变:6百万/cm2/s

  1930年,美籍奥地利物理学家沃尔夫冈 泡利(Wolfgang Pauli)为解释原子核β衰变时的能量亏损,首次提出了“一种不可探测的中性粒子”的猜想,后由意大利物理学家恩里克费米(Enrico Fermi)正式命名为“中微子”;26年后,美国科学家莱因斯(F. Reines)和柯万(C.L.Cowan)领导的小组第一次通过实验直接观测到中微子。1987年,日本神冈的小柴昌俊和其他国家的科学家共捕获了24个超新星(SN1987A)中微子,标志着中微子天文学诞生。1998年,超级神冈实验(SuperKamiokande)的万吨级水切伦科夫探测器(Cherenkov)观测到太阳中微子和大气中微子,并首次以确凿的证据发现了中微子振荡现象,即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量,而非零。日本的水切伦科夫探测器是有史以来建造的最庞大的探测器,由11200个20英寸的光电倍增管和5万吨高纯水构成屏蔽层,看上去像一个巨大闪烁的游泳池。中微子振荡的发现被认为是超出粒子物理标准模型的第一个实验现象,说明“标准模型”目前仍不完整,有待修正和延伸。迄今,还有两个振荡参数尚未测到,而这两个参数极有可能解释宇宙中的“反物质缺失”之谜。  

  

  年轻时的泡利 日本神冈水Cherenkov探测器   

  每种粒子有不同的方式“看”世界。中微子具有超乎寻常的穿透力,它“看”世界就像一切都是空的,物质都是透明的。它轻而易举地穿越山川、河流,甚至整个地球而不被任何物质吸收。科学家们认为它可以穿越100光年厚铅块的极限。然而平均100亿个中微子中只有一个与物质发生反应,也就是说每年只有一个中微子与我们身体的一个原子发生相互作用,真可谓“非常之罕见”。因此,越来越需要建造大型探测器,阻止、捕捉中微子。

  探测中微子的另一个必要条件是宇宙线屏蔽。如果在地面站进行中微子实验,探测到的宇宙线将比中微子多200万倍,信号将完全淹没于本底辐射。因此地下实验室是最理想的场所。

  

  

  LSM的NEMO III致力于寻找新的放射形式:无中微子释放的双β衰变,表现为2个电子的自发放出,总能量约为3.012MeV,只有少数如钼100等原子核是其放射源。双β衰变实验是学术界公认的探索中微子质量这一前沿问题的理想途径,是判断中微子是否是其本身反粒子的唯一方法。它将证实中微子是一种非零质量的粒子,并推算出质量,揭示中微子的性质,进而了解人类如何由碳、水分子和基于原子的化学反应组成,了解生命的起源,宇宙的组成和演变。

  

  NEMO III探测器由垂直排列的钼100薄片(共计7kg)组成,两侧是盖革(Geiger)计数器和塑料闪烁体,分别用来定位和测量释放出的电子轨迹和能量。它另配置一个复杂的电子设备用于记录6180个盖革计数器和1940个闪烁体提供的信息。光纤激光设备保证闪烁体稳定性的校准与控制,事例的获取和计数器运行则通过互联网远程控制。

  暗物质探测、双β衰变等低本底实验是一种对环境要求非常苛刻的研究工作,要求环境中结构材料、屏蔽材料等的放射性杂质含量尽可能低,包括不锈钢、铜、铅、电缆、管子、螺丝钉,直到焊接等都需经过严格筛选和精确测试。这使得NEMO III挑战了科技的极限,虽重达250多吨,但铀238和钍232的放射性核素的含量比一个人的还要低。

  人们很早就发现了单β衰变,但双β衰变极为罕见,而寻找无中微子释放的双β衰变的几率至少还要小1万倍,因为双β衰变从没有在自然界中发现过。假设1公斤的钼100,根据自然规律,其中一半衰变就需要80亿亿年。而科学家认为宇宙的年龄仅为150亿年。

  MEMO III已经运行了两年,灵敏度受到氡气干扰的限制。通过空气净化系统(防氡气工厂),它在最佳条件下积累了许多物理数据,2011年1月11日,彻底终止运行。后续SuperNEMO实验目前正处于研发阶段,未来将以两个数量级水平提高中微子质量测量的灵敏度。参加中微子合作的国家有法国、俄罗斯、英国、捷克、美国、日本、西班牙。

  从NEMO III到SuperNEMO将实现如下的跨越:

  为满足粒子物理和天体物理基础研究的需要,为探测地球中微子和宇宙中微子产生的各种非常罕见的物理现象,LSM将研发下一代地下大型探测器。

  自2005年4月Aussois(Modane附近的市镇)会议以来,科学家们广泛研究和讨论了Memphys(MEgatonne Mass PHYSics)计划,其目的是解析中微子的基本性质。中微子束探测器将精确测量中微子振荡的混合参数θ13,揭示轻子领域CP破坏的存在,解释宇宙中物质和反物质之间的不对称性或超级对称性。

  有望建在LSM的Memphys探测器

  另外,质子是具有强稳定性的基本粒子,但许多模型预言它有有限的生命周期。探测质子衰变是证明自然界基本作用力大统一的最直接方法。Memphys实验基于带电粒子在水中产生定向的切伦科夫光,然后由探测器表面上万个光电倍增管对这微弱的光进行探测和研究,最终得到中微子的信息。该技术已经成功地在美国和日本的IMB和Super-Kamiokande上应用。而LSM和世界上其它地下实验室正在预研比美日更大型的探测器:50万吨,20万个10英寸的光电倍增管,准备建在Modane地下实验室中。其中重要的一点是,该探测器有望与欧洲核子研究中心(CERN)制造的中微子束耦合。

  3.TGV:双β衰变研究

  垂直锗望远镜TGV(Telescope a Germanium Vertical)由LSM与俄罗斯杜布纳联合原子核研究所(JINR)共同开展,利用32台直径60mm的平面锗探测器进行双β衰变研究。

  探测器 铅屏蔽 聚乙烯屏蔽

  4.SHIN:寻找自然界中的超重元素

  根据俄罗斯和美国最近在现代理论模型中进行的诸多实验结果,科学家们猜测:自然界中未知的超重元素的生命周期非常长,现在仍存在于自然界中。

  SHIN(Super Heavy elements In Nature)实验试图追踪这些长生命周期的元素(108或114个质子)及其自发裂变后的放射性衰变产物。

  SHIN探测器的电子学部件

  五、独特的应用研究

  LSM发展和完善了用于超低放射性水平样本测量的探测器和平台,它拥有世界独一无二的14台尖端的γ能谱超低本底锗探测器,在环境监测、超纯材料遴选、海洋放射性普查、地质学和年代的准确鉴定,甚至包括对波尔多葡萄酒酒龄的鉴定方面进行了独特的应用研究。

  先了解一下什么是放射性:

  物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成。

  原子核由质子(Proton)和中子(Neutron)组成,二者质量等同;电子(Electron)的质量要比前两者小2000倍,并以惊人的高速度围绕原子核运转。

  原子核示意图

  在一个原子中,质子和电子的数目相同,它们的数目决定该原子的化学性质。

  如果两个或三个原子拥有同样多的质子(和电子),但中子数不同,那么它们被称作同位素。同位素的化学性质相同。譬如:

  -- 氢(Hydrogene):1个质子,1个电子

  -- 氘(deuténium):1个质子,1个中子,1个电子

  -- 氚(Tritium):1个质子,2个中子,1个电子

  当一个同位素拥有的中子数比质子多,或者相反,原子核就不稳定,那么该同位素具有放射性。

  当原子核作用力足够大时,质子与中子就能够牢固地粘合在一起,且两者数目相等,此时原子核就是稳定的,被称为稳定性核素。而当原子核拥有太多粒子或太多能量时,核作用力就减弱了,质子和中子不能很好地粘合在一起,且两者数目不等。此时,原子核就不稳定,被称为放射性核素。

  “放射性”指一个不稳定的原子核通过辐射释放出多余的能量而衰变成另一个稳定原子核的现象。在该过程中,原子核自发地释放出粒子和不同类型的射线:α,β,γ等。每种射线对应一种形式的辐射。

  α射线:氦核粒子流,指不稳定的原子核在衰变时放出1个氦核(2个质子和2个中子),或者叫α粒子。该射线穿透性很不强,几厘米的空气,或者一张纸就可以阻止它。

  β射线:高速电子流,指原子核中的一个中子通过弱相互作用衰变为一个质子,一个电子和一个反中微子。电子和反中微子跑出原子核,而质子留在核中。一块玻璃或者几毫米薄的铝片便可以阻止β粒子或电子。

  γ射线:高能量的电磁波(无粒子产生),性质同可见光和X射线,但能量更高,更具穿透性。需要几厘米厚的水泥墙或铅板才能阻止它。

  自发裂变产生中子射线:中子的能量决定其穿透性。非常厚的水层、水泥墙和石蜡板才能阻止它。

  γ射线产生示意图

  几乎所有的物质都具有放射性。放射性是一秒钟发生的原子衰变数,国际单位用贝克(Bq)表示。强烈的放射性可达数十亿Bq以上,低放射性则在几千Bq。譬如: 1升雨水:0.3—1 Bq

  1升海水:10—15Bq

  1升奶:80 Bq

  1公斤鱼:100 Bq

  1公斤土豆:150 Bq

  1公斤沉积土:400 Bq

  1公斤咖啡:1000 Bq

  1公斤花岗岩:1000 Bq

  1公斤煤灰:2000 Bq

  1公斤化肥(磷酸盐):5000 Bq

  体重70kg的成人:7000 Bq

  火灾探测器:30 000 Bq

  1公斤铀矿:2500万 Bq

  医疗诊断同位素放射:7000万 Bq

  1公斤镭: 370亿 Bq

  1公斤高放射性核废料(放置50年):10万亿 Bq

  医疗放射源:100万亿 Bq

  实际上,地球上存在许多天然放射性核素,衰变时产生辐射,其能量以热能形式消散。如果没有这些热能,地球早就成为一个冰冷的星球,也不会有生命的迹象。

  天然放射性核素属于宇宙中稳定粒子的一部分。包括:

  * 质子及其多种表现形式,不同能量的电磁辐射。

  * 中微子:宇宙中最神秘最难以捕捉的粒子。

  核放射的特征是γ射线释放出能量。法国Modane地下实验室的锗探测器能够高精度测量γ射线的能量。谱仪上不同的峰值可以解析存在于样品中的放射性核素及其含量。

  另外,放射性核素的生命周期根据每种放射性核素的不同而长短各异,譬如:钋214的放射周期为几分之一秒,而铀238的放射周期为45亿年;并且一般在一个周期结束时,相当多的放射性核素自发地失去一半的放射性。

  以下是LSM的几个重要应用实例:

  1.放射性核素含量的鉴别有助于了解某地区的历史,就像时间标志器

  法国Modane地下实验室、气候与环境科学实验室(LSCE,Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement,CNRS-CEA)和萨瓦大学(Université de Savoie)的两个研究小组共同对阿尔卑斯山湖区的沉积物进行了考察。目前,LSM又与尚贝里大学(Université de Chambéry)联合开展了阿讷西(Annecy)湖区(勃朗峰所在地区)的研究。对一根30公分长胡萝卜中放射性核素的鉴别,可以推断出该地区150年来的历史,包括地震情况、气候变化、环境污染与人类的农作活动。类似的研究结果,也将使不少考古学者从中受益。

  2.特级葡萄酒的年代鉴定

  特级葡萄酒中铯-137(137Cs)的含量根据年代不同而有异,所以通过其含量可以鉴定葡萄酒的年代。因为铯-137人工同位素并不存在于自然界中,而是60年代核试验和前苏联切尔诺贝利核电站(Tchernobyl)泄漏后的人工放射性同位素。不含铯137的酒,出产年代应早于1960年。另外,依照铯-137的含量多少,可以更精确地鉴定葡萄酒的酒龄。当然,做这样的鉴定是不需要打开酒瓶的。波尔多第一大学和LSM共同开展了该项实验。

  3.环境放射性污染物的监测

  LSM和辐射防护与核安全研究所(IRSN,Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, IRSN)通过采集沉积物样品、河湖水源等进行环境中放射性污染物的检测,特别是对工业活动和意外事故可能产生的放射性污染进行跟踪。法国原子核实验后,太平洋的环礁始终处于系统的监测下。

  4.大气放射性污染物的监测

  大气是污染的重要载体。核试验的终止和核废料的减少使环境中人工放射性核素逐渐降低。LSM能够测量大气中放射性水平很低的污染物。IRSN在法国六大城市建立了大气采样站,全方位地监测全国大气污染的状况。

  六、LSM的基础设施

  LSM为开展重大基础性前沿课题提供了重要的研究场所和优良的低本底环境,是一个承载多学科科学研究的综合性实验平台。它负责:

  * 安置实验设备,提供必要的设备安置空间;

  * 提供水、电、计算机连接和使用,保障空调、通风系统正常工作;

  * 确保人员出入和工作安全;

  * 确保设备出入、操作和工程设施的安全;

  * 提供援助、维修服务等。

*

  因实验室坐落在密闭的地下空间,设备和人员的出入因而受限,配置安全预警措施;并拥有一支专业技术队伍保障实验室设备的正常运行,随时提供全方位的服务。实验室的温度、湿度和压强等处于连续监控中,保证其长期稳定。

  事实上,Modane地下实验室虽远离尘嚣,但3500m3的空间并不十分安静,粒子探测器的冷却系统有时发出震耳欲聋的噪音,洁净空气供应系统(包括除湿、除尘、恒温、除氡等功能)的鼓风机整日整夜地工作,每小时两次更换和清洁实验室空气,氡含量低于20 Bq/m3

  地下实验室放射性氡气是低本底信号来源之一,主要是实验室环境中岩石的一连串放射性衰变过程中产生的气体。由于氡会以气体形态逐步从岩石渗透到空气中,又逐步扩散到探测器系统附近,最终吸附到探测器的结构材料上,且其衰变产生γ射线,可能成为高纯锗探测器的本底来源。因此,在地下实验室中,防氡和排氡措施非常必要。在实验室1m3的空气中,每秒平均有10个氡发生衰变。Modane地下实验室中装有洁净空气供应系统,可减少1000倍的氡含量,约为15Bq/m3。包裹着NEMO的屏蔽“帐篷”里的氡含量比实验室的还少100倍,约为0.15Bq/m3

  LSM的防氡设备 

  七、升级扩建工程:ULISSE计划

  目前,空间容积仅为3500m3的实验室已经不能满足21世纪粒子物理和天体粒子物理等其它多学科实验的开展。

  幸运地是:几乎在同时,这项科学需求与另一项社会需要又不谋而言。法国和意大利两国政府决定在Fréjus公路隧道附近,平行地建一条安全疏散通道。挖掘工程已于2009年秋天开工。Modane地下实验室抓住这唯一的机遇,为暗物质研究和中微子物理实验,以及地质、生物、工程科学研究开凿新的工作区域,扩建新实验室(下图蓝色区域),有效使用空间容积将达到6万m3,几乎相当于现在的20倍。这项大工程已于2008年12月作为先导项目,正式立项于法国国家重大科研设施线路图中(TGIR,Tres Grandes Infrastructures de Recherche)。实验室总体工程预计2013-2014年完成,并投入使用。

  Ulisse计划的土建预算为1千2百万欧元(4万m3),1千7百万欧元(2*3万m3),通风、冷却、电力等设备的经费为3百万欧元。

  新实验室将汇集更多学科和领域的研究人员、粒子天体物理学家、地理物理学家和地理生物学家,200-300人,开展SuperNEMO、EURECA等实验,分别进行中微子的性质及质量的确定和暗物质的研究。其中EURECA项目将替代现在的Edelweiss II实验,是一多国合作项目,包括英国、德国、法国、西班牙、乌克兰以及相关的国际组织CERN、JINR等,基础设施将以两个低温恒温器为核心。目前正处于研发阶段,预计2013年开始建设。

  新实验室的扩建无疑将极大地促进罗纳 — 阿尔卑斯大区经济的发展。届时,可乘高速列车和高速公路抵达,在安全疏散通道处独立的安全入口处进入地下实验室。LSM每年的运行经费预算为每年80万欧元,使用年限至少40年。

  SuperNEMO和EURECA示意图 

  另外,自2009年6月,在Modane的白土地(Terres Blanches)地区,LSM建造和开放了一座科学方屋,它是集会议、办公、科学中心、技术车间、车库、客房为一体的地面建筑。

  科学方屋中设有科普展览大厅,面积120平米,长期开放,主题为“宇宙的小秘密”,以互动和游戏的方式探索微观世界,讲述宇宙的起源、组成和演变,了解物质的放射性,以及科学家们在Modane地下实验室开展的实验和未来的研究方向。主要内容包括:

  * 宇宙射线音乐欣赏

  * 录像:为什么要建地下实验室?实验室的科研活动和未来方向。

  * 历史上著名的实验介绍

  * 探测器探测什么?

  * 应用(年代测定,环境监测┅┅)

  * 亲自在“云雾室”目睹宇宙射线的踪迹。

  * 天然放射性小火车

  * EDELWEISS:寻找暗物质

  * NEMO:中微子实验

  * 多媒体,实验室模拟参观

  LSM的科普展览

  高能物理研究所科研处

  资料来自http://www-lsm.in2p3.fr/


中国科学院高能物理研究所    备案序号:京ICP备05002790号
地址:北京市918信箱    邮编:100049    电话:86-10-88235008    Email: ihep@ihep.ac.cn