锦屏模式大科学工程的启示.pdf
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1、大学科普科学前沿2023 年第 2 期Science Frontiers8一、引言暗物质是人类在不断探索宇宙奥秘、认识世界过程中提出的一个重大前沿问题,是21世纪新物理发展前沿。2003年,清华大学工程物理系,首先提出采用高纯锗探测器开展暗物质直接探测实验。当时我国没有一个成熟的地下实验室,清华科研人员只能远赴韩国借用其地下实验室的一个拐角开展验证性实验,实验空间受到比较大的限制,而且在实验技术路线上也受到了很多制约,严重影响后续发展。这些亲身经历的实践告诉我们,地下实验室作为基础设施,对于新世纪新物理新突破,具有重大战略意义。自此开始,清华就一直在寻找合适的地方,建立中国自己的地下实验室。2
2、008 年 8 月,据新闻报道,位于四川凉山彝族自治州雅砻江流域水电开发有限公司(简称雅砻江公司)锦屏水电厂全长约 17.5km 的锦屏山交通隧道正式贯通,该隧道最大岩石覆盖垂直厚度达 2400 米。锦屏交通隧道为我国建设地下实验室提供了得天独厚的条件。在国家有关部门的大力支持下,2009 年 5 月,清华大学与雅砻江公司签订了战略合作协议,启动建设我国首个地下实验室:中国锦屏地下实验室(China JinPing Underground Laboratory,简写:CJPL)。2010 年 12 月 12 日,CJPL 正式投入使用,标志着我国首个、国际上垂直岩石覆盖最深的极深地下实验室正式
3、建成,为我国开展自主暗物质探测实验研究及低本底实验研究奠定了良好基础。CJPL 的横空出世,极大推动了我国粒子物理学、天体物理学、宇宙学等相关领域重大基础前沿课题的开展。国内科学家关注到这个新的学科增长点,纷纷提出各种新的实验设想。但受制于锦屏一期空间较少,很多大规模前沿物理实验不能开展,新形势提出了新需求。为了进一步推进我国前沿科学实验的研究工作,提升我国在深地科学领域研究的国际地位,也为了节约建设成本、缩短建设周期,清华大学与雅砻江公司,于 2014 年 8 月 1 日签订协议,决定共同建设 CJPL 二期项目,其中岩体开挖与支护工程于 2014 年11月正式开工,2016年年底完工,20
4、17 年初进行了工程验收工作。CJPL 二期工程以锦屏二级水电站施工过程中挖掘的两条辅助施工隧道为基础,在辅助施工隧道的一侧新开挖 4 个实验大厅。2016 年基于锦屏二期的“极锦屏模式大科学工程的启示Big Science Engineering中国 北京 清华大学工程物理系 程建平 李元景 曾 志中国 北京 北京师范大学核科学与技术学院 程建平图 1 2009 年 5 月 8 日清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署共建中国锦屏地下实验室战略合作协议,启动实验室建设粒子加速器(particle accelerator):简称“加速器”。利用电磁场增加带电粒子速度(动能)的装置。可将电子、
5、质子和重离子等粒子束的速度增加到每秒几百万米直至接近光速。【科学名词 核科学技术名词】2023 年第 2 期大学科普科学前沿Science Frontiers9深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”(锦屏大设施)被列入“十三五”国家重大科技基础设施指南。2017 年,锦屏大设施正式入选国家“十三五”重大科技基础设施十个优先启动项目。2018 年 12 月,锦屏大设施项目获得国家发改委可行性研究报告批复,标志着锦屏大设施成功立项。2019 年 7 月 20 日,锦屏大设施在雅砻江公司锦屏水电站举行启动仪式,宣告工程建设拉开帷幕。2020 年 2 月,锦屏大设施获得国家发改委批复概算。2020 年
6、12 月 20 日,锦屏大设施正式开工建设,标志着项目正式迈入大规模工程建设阶段。截至目前,工程建设进展顺利。基于CJPL二期建设的锦屏大设施整体格局为4洞8室,加上原有的 2 个辅引洞及其相关隧道,可利用实验空间由原一期的 4000 立方米扩大到超过 30 万立方米,可容纳更多科学实验项目同时开展实验研究。锦屏地下空间正在建设:大型液氮低温辐射屏蔽与高纯锗反符合装置、大型常温纯净水辐射屏蔽与液氙自屏蔽装置、组合式固体辐射屏蔽装置、微贝克每公斤量级的辐射本底测量与分析装置等。为提高极深地下空间使用效益和效率,2022 年完成了西昌地上辅助实验平台 4000 平方米建设,为极深地下前沿物理研究提
7、供辅助条件和能力。锦屏大设施项目计划于 2024 年竣工,建设完成后,将成为全世界岩石覆盖厚度最深、宇宙线通量最小、可用空间最大、交通方便、各种综合条件最齐全的国际一流地下实验平台。锦屏大设施边建设、边运行、边出成果。中国锦屏地下实验室及相关科研成果分别于 2016 年和 2021 年连续入展国家“十二五”和“十三五”科技创新成就展。2022 年7月,清华大学发布十年科技创新成效标志性成果,其中“锦屏地下实验室支撑了暗物质探测、核天体物理等前沿基础科学实验研究,取得世界最好的高纯锗暗物质实验结果”。2021 年,在建党 100 周年之际,中央广播电视总台影视剧中心山河岁月摄制组、科技日报、中国
8、科协追梦身影纪录片摄制组对实验室进行采访、拍摄,科技日报庆祝建党 100 周年特别策划栏目以整版形式刊发了以锦屏大设施为主题的报道。2022 年,在党的二十大召开之际,人民日报、新华社、中国国际电视台、科技日报、中央电视台等媒体集中对中国锦屏地下实验室开展深度报道,新华社更是把锦屏地下实验室誉为“中国深度”代表之一。过去 10 余年,多次举办锦屏论坛、国际暗物质日讲座等科普活动,邀请院士、专家宣讲;多次组织大学生、中学生和留学生到 CJPL 参观或开展实践活动。自 2010 年实验室投入使用以来,CJPL 累计接待团体参观 508 次,共 7051人次,起到了非常好的高端科普面向公众传播科学知
9、识的积极作用。锦屏大设施建设团队,在过去 20 多年时间里,紧紧瞄准暗物质科学前沿,一张蓝图绘到底,久久为功,建成了国际领先的中国锦屏地下实验室。一路走来,随着实验室建设和科研需求的发展,锦屏大设施始终走在科技前沿,坚持开拓创新、积极探索,形成了锦屏模式,为其他单位建设国家重大科技基础设施提供了经验和参考。图 2 2010 年 12 月 12 日中国锦屏地下实验室正式投入使用放射性同位素(radioisotope):如果两种原子质子数目相同,但中子数目不同,在周期表是同一位置的核素,这两者就叫同位素。【科学名词 核科学技术名词】大学科普科学前沿2023 年第 2 期Science Fronti
10、ers10图 3 2014 年 8 月 1 日清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签订二期建设协议图 5 2020 年 7 月 20 日 清华大学原校长邱勇出席锦屏大设施启动仪式图 6 2020 年 12 月 20 日 锦屏大设施项目开工仪式举行图 4 2019 年 1 月 7 日 锦屏大设施工程领导小组第一次会议上为工程指挥部揭牌图 7 2018 年 12 月 11 日 CJPL2018 年第二次管委会会议同位素热源(radioisotope heat source):放射性核素发射的带电粒子和 辐射,与物质相互作用,最终被物质阻止和吸收,射线的动能转变为热能,吸收体温度升高,利用这一特性将
11、放射性核素制备成的放射源。【科学名词 核科学技术名词】2023 年第 2 期大学科普科学前沿Science Frontiers11二、锦屏模式经验在锦屏大设施之前,国家重大科技基础设施的建设基本上分为两种模式:(1)高校与地方政府合作建设;(2)中科院与地方政府合作建设。锦屏大设施则是高校和中央企业共同建设的国家重大科技基础设施,开启了一个新的建设模式。1架构明确、管理清晰由于之前没有可借鉴的经验,锦屏大设施在管理机制方面摸索创新模式,建立了以 CJPL 管委会为主体、实验室主任负责制的管理体系,有效地解决了建设过程中的问题。CJPL 管委会是清华大学和雅砻江公司双方共同组成的实验室最高管理机
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