Цзиньпин (лаборатория)

Китайская подземная лаборатория Цзиньпи́н (кит. трад. 中国锦屏地下实验室, пиньинь Zhōngguó Jǐnpíng dìxià shíyànshì) — глубокая подземная лаборатория в горах Цзиньпин провинции Сычуань, Китай. Уровень космических лучей в лаборатории не превышает 0,2 мюонов/(м²·сутки)[3]. Лаборатория находится на глубине, соответствующей эквивалентному слою воды 6720 м[4]:2 и таким образом является самой защищенной подземной лабораторией в мире[5]:17. Фактическая глубина лаборатории составляет 2400 м, однако к ней имеется горизонтальный доступ через туннель, поэтому оборудование может быть доставлено автотранспортом.

Цзиньпин
кит. трад. 中国锦屏地下实验室, пиньинь Zhōngguó jǐnpíng dìxià shíyànshì)
Направление исследований физика элементарных частиц
Основана 12.12.2010
Университет Цинхуа
Местонахождение уезд Мяньнин, пр. Сычуань, Китай[1]
Географические координаты 28°09′12″ с. ш. 101°42′41″ в. д.
Руководитель Cheng Jianping[2]
Официальный сайт jinping.hep.tsinghua.edu.cn

Хотя мрамор, в котором вырыты туннели, считается «твердой породой», на большой глубине он представляет более серьезные инженерно-геологические проблемы[6][7]:16–27[8]:16–19 чем даже более твердые магматические породы в какие обычно строят глубокие лаборатории[9]:13–14. Неудобство доставляет также давление воды в породе, достигающее 10 МПа (100 атм). Однако обладает преимуществом радиационной защиты, заключающимся в низком содержании радионуклидов[10][11], таких как 40K, 226Ra, 232Th[5]:17 и 238U[12]:16. Это, в свою очередь, приводит к низкому уровню радона (222Rn) в атмосфере[13]:5.

Лаборатория находится в Ляншане на юге Сычуани, около 500 км к юго-западу от Чэнду[5]:3. Ближайший крупный аэропорт - Xichang Qingshan Airpot на расстоянии 120 км[7]:5.

История

Проект гидроэлектростанции Цзиньпин-II включал прокладку ряда туннелей под горами Цзиньпин: четырёх водоводов длиной 16,7 км для подачи воды из водохранилища к генераторам[6]:30, а также двух транспортных туннелей длиной 17,5 км [7]:1 и одного дренажного туннеля. Узнав о работах в горном массиве Цзиньпин в августе 2008 года[14][15], физики из Университета Цинхуа решили, что это будет отличное место для глубокой подземной лаборатории[16] и договорились с гидроэнергетической компанией о выработке лабораторного пространства в середине туннеля.

Официальное соглашение было подписано 8 мая 2009 г.[14], и горные работы немедленно начались[7]:29. Первая фаза CJPL-I, состоящая из главного зала размером 6,5 × 6,5 × 42 м[17]:8 и подъездного туннеля длиной 55 м (всего 4000 м³ выемки)[7]:15 была завершена к маю 2010 г., полностью строительство завершено 12 июня 2010 г.[18]:7 Официальное открытие лаборатории состоялось 12 декабря 2010 г.[7]:37

Лаборатория находится к югу от самого южного из семи параллельных туннелей ГЭС Цзиньпин-II, транспортного туннеля A.

Воздушная вентиляция в CJPL-I изначально была недостаточной, что приводило к накоплению пыли на оборудовании и газообразного радона в воздухе, однако в дальнейшем была обеспечена дополнительная вентиляция[19]:239.

Более сложная проблема заключается в том, что стены CJPL-I были облицованы обычным бетоном, взятым из поставки гидроэлектростанции. Бетон имеет более высокую естественную радиоактивность, чем желательно для лаборатории с низким уровнем радиоактивного фона [19]:238. На втором этапе строительства использовались материалы, отобранные с учетом низкой радиоактивности[20]:30–37.

Расширение CJPL-II

В дальнейшем лаборатория значительно расширилась (в 50 раз). Планы расширения были утверждены прежде, чем рабочие и оборудование покинули туннели после завершения строительства гидроэлектростанции в 2014 году[21]:20.

К западу от CJPL-I, находились два объездных туннеля длиной около 1 км[21]:20, построенные при прокладке семи главных тоннелей гидроэнергетического проекта. Это наклонные перекрещивающиеся туннели, которые соединяют средние точки пяти водоводов (четыре главных и один дренажный) с транспортными туннелями, проходящими параллельно и немного выше их. Эти тоннели общим объёмом 210 000 м³[22]:4, которые планировалось заблокировать после окончания строительства[21]:20, были переданы в дар лаборатории для использования в качестве вспомогательных помещений[23]:5.

При расширении лаборатории была дополнительно проведена выемка 151 000  м³ грунта[24]:4: несколько соединительных туннелей, четыре больших экспериментальных зала, каждый размером 14×14×130 м [22]:6[8]:12[13]:15[21]:22[19]:239–240 и две ямы для защитных резервуаров под полом залов[25]:20–21[21]:24,27. В китайском эксперименте по обнаружению тёмной материи использовалась цилиндрическая яма диаметром и глубиной 18 м, [lower-alpha 1] в которой находился резервуар с жидким азотом, а в эксперименте PandaX — эллиптическая яма [lower-alpha 2] для резервуара с водой размером 27×16 м и 14 м глубиной[19]:239–240,245. Залы были завершены к концу 2015 г.[25]:17; ямы — к маю 2016 г. [21]:24, и по состоянию на май 2017 года оснащались системами вентиляции[21]:24-25 и другим необходимым оборудованием. Плановый срок ввода в эксплуатацию определялся как январь 2017 года[13]:20.

В настоящее время это самая большая подземная лаборатория в мире, которая превзошла предыдущего рекордсмена — Национальную лабораторию Гран-Сассо (LNGS), принадлежащую Италии. Хотя большая глубина и более слабая порода делают залы уже, чем 20-метровые основные залы LNGS, их общая длина составляет 520 м, что обеспечивает большую площадь пола (7280 против 6000 м²), чем три зала LNGS общей длмной 300 м.

Залы CJPL также имеют больший объём, чем залы LNGS. CJPL располагает 93 300 м³[4] [lower-alpha 3] в самих залах, и еще 9300 м³ в защитных котлованах, всего 102 600 м³, что чуть больше, чем 95 100 м3 у LNGS. [lower-alpha 4]

С учетом служебных помещений за пределами основных залов CJPL имеет 200–300 тыс. м³ полезного объёма[25]:18[21]:22[19]:239 против 180 000 м3 у ЛНГС. Общий объем 361 000 m3 предполагает, что размер CJPL вдвое больше, но это вводит в заблуждение: все помещения LNGS были спроектированы как лаборатория, и поэтому их можно использовать более эффективно, чем перепрофилированные туннели CJPL.

Ресурсы CJPL [17][23][22][25]
CJPL-I CJPL-II
Общий объем [25]:21 4000 м³ 210 000 + 151 000 м³
Площадь лаборатории 273 м² 7280 м²
Объем лаборатории 1800 м³ 102 600 м³
Электроэнергия 70 кВА [22]:4 1250 (10 000) кВА [22]:15
Вентиляция 2400 м³/час[22]:4 24 000 м³/час[22]:10[19]:239

Благодаря расположению лаборатории на территории крупной гидроэлектростанции, легко доступна дополнительная электроэнергия. CJPL-II снабжен двумя резервными силовыми кабелями с напряжением 10 кВ и мощностью 10 МВА;[22]:15[25]:21 доступная мощность временно ограничена мощностью 5 × 250 кВА понижающих трансформаторов (по одному на каждый экспериментальный зал и пятый на вспомогательные помещения)[22]:15. Также нет недостатка в воде [22]:14 для охлаждения мощного оборудования.

Поток мюонов (и, следовательно, водный эквивалент глубины) CJPL-II в настоящее время измеряется, [21]:25 и может незначительно отличаться от CJPL-I, но он, безусловно, останется ниже, чем SNOLAB в Канаде и, таким образом, CJPL сохранит рекорд как самая глубокая лаборатория в мире.

Эксперименты

В настоящее время в CJPL проводятся следующие эксперименты:

В лаборатории также работает установка с низким уровнем фона, в которой используется детектор из высокочистого германия для измерения очень низких уровней радиоактивности [2][17]:7. Это не физический эксперимент, а проверка материалов, предназначенных для использования в экспериментах. Он также тестирует материалы, используемые для создания CJPL-II[22]:27-32.

В настоящее время для CJPL-II запланированы следующие эксперименты:[13]:24–29[25]:23

  • более крупная версия CDEX с массой детектора, исчисляемой тоннами; [8]:23[13]:25[25]:23[21]:27
  • увеличенная версия PandaX с массой детектора, исчисляемой в тоннами; [8]:25[13]:26[25]:23
  • Jinping Underground Nuclear Astrophysics (JUNA), эксперимент по измерению скорости астрофизически важных ядерных реакций в звездах;[26][13]:27 и
  • возможно, детектор темной материи на основе жидкого аргона. [13]:28[25]:23[21]:26

Также есть предложения по:

  • Jinping Neutrino Experiment[27][25]:23 — эксперимент, использующий преимущество расположения CJPL вдали от ядерных реакторов и, таким образом, имеющий самый низкий поток реакторных нейтрино среди всех подземных лабораторий, [24]:6 для проведения точных измерений солнечных и геонейтрино, [28][13]:29 ,
  • CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification), эксперимент по безнейтринному двойному бета-распаду, [21]:26 и
  • направленный детектор темной материи, созданный коллаборацией MIMAC (MIcro-tpc MAtrix of Chambers) [25] в качестве дополнения к их детектору, который в настоящее время работает в подземной лаборатории Modane[29].

Примечания
  1. Первоначально планировались размеры 16 м.
  2. It's not totally clear if the pit is elliptical (with an area of 27×16×π/4 = 339,3 m2) or a stadium-shaped oval (with an area of 11×16 + 162×π/4 = 377,1 m2). The difference is a volume of 4750 m3 vs. 5279 m3.
  3. The cross-section drawings of CJPL's halls are inconsistent[17]:13. A vaulted roof 14 m wide with 4.08 m sagitta spans an angle of 121°; the smaller 114° angle shown would imply a larger radius and smaller sagitta of 3.8 m. These lead to cross-sectional areas of 179.434 and 180.275 m2, respectively, and lab volumes of 93 306 and 93 743 m2, respectively.
  4. LNGS's main halls are assumed to be 20 m wide, with a hemispherical roof peaking at 18 m. Thus, the cross-sectional area is 20×(8+10×π/4) = 317.08 m².

Ссылки
  1. Data Acquisition Project for CJPL (21 August 2010). — «CJPL position in Google Maps – http://goo.gl/xwcA (You may use the coordinates directly in google maps: 28.153227,101.711369)». Дата обращения: 16 сентября 2015. This is CJPL-I; CJPL-II is about 500 m farther west.
  2. Zeng, Zhi (2011-03-26). «Low Background Facility Setup in CJPL: A Brief Introduction» in Symposium on Future Applications of Germanium Detectors in Fundamental Research.. Дата обращения: 2014-11-19.
  3. Wu, Yu-Cheng; Hao, Xi-Qing; Yue, Qian; Li, Yuan-Jing; Cheng, Jian-Ping; Kang, Ke-Jun; Chen, Yun-Hua; Li, Jin; Li, Jian-Min; Li, Yu-Lan; Liu, Shu-Kui; Ma, Hao; Ren, Jin-Bao; Shen, Man-Bin; Wang, Ji-Min; Wu, Shi-Yong; Xue, Tao; Yi, Nan; Zeng, Xiong-Hui; Zeng, Zhi; Zhu, Zhong-Hua (August 2013). “Measurement of cosmic ray flux in the China JinPing underground laboratory” (PDF). Chinese Physics C. 37 (8): 086001. arXiv:1305.0899. Bibcode:2013ChPhC..37h6001W. DOI:10.1088/1674-1137/37/8/086001. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-01-01.
  4. Li, Jainmin; Ji, Xiangdong; Haxton, Wick; Wang, Joseph S.Y. (9 April 2014). “The second-phase development of the China JinPing underground Laboratory”. Physics Procedia. 61: 576—585. arXiv:1404.2651. Bibcode:2015PhPro..61..576L. DOI:10.1016/j.phpro.2014.12.055.
  5. PandaX Collaboration (August 2014). “PandaX: A Liquid Xenon Dark Matter Experiment at CJPL”. Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 57 (8): 1476—1494. arXiv:1405.2882. Bibcode:2014SCPMA..57.1476C. DOI:10.1007/s11433-014-5521-2.
  6. Zhang, Chunsheng; Chu, Weijiang; Liu, Ning & Zhu, Yongsheng (2011), Laboratory tests and numerical simulations of brittle marble and squeezing schist at Jinping II hydropower station, China, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering Т. 3 (1): 30–38, doi:10.3724/SP.J.1235.2011.00030, <http://www.rockgeotech.org/qikan/manage/wenzhang/2011-01-04.pdf>
  7. Li, Jianmin (6 September 2013). «The Status and Plan of China JinPing underground Laboratory (CJPL)» in 13th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics: A Town Meeting for the 2nd-phase Development of the China Jinping Underground Laboratory.. Дата обращения: 2014-11-19.
  8. Li, Jianmin (9 September 2015). «The recent status and prospect of CJPL» in XIV International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP2015).. Дата обращения: 2015-11-28.
  9. Zhao, Zhihong (2015-06-05). «Geological conditions and geotechnical feasibility» in 2015 Workshop of Jinping Neutrino Program.. Дата обращения: 2015-08-15. Архивная копия от 8 декабря 2015 на Wayback Machine
  10. Chui, Glennda (February 2010), World's deepest lab proposed in China, Symmetry Т. 7 (1): 5, ISSN 1931-8367, <http://www.symmetrymagazine.org/article/october-2010/worlds-deepest-lab-proposed-in-china>
  11. Strickland, Eliza (January 29, 2014), Deepest Underground Dark-Matter Detector to Start Up in China, IEEE Spectrum Т. 51 (2): 20, doi:10.1109/MSPEC.2014.6729364, <https://spectrum.ieee.org/aerospace/astrophysics/deepest-underground-darkmatter-detector-to-start-up-in-china>
  12. Pocar, Andrea (8 September 2014). «Searching for neutrino-less double beta decay with EXO-200 and nEXO» in Neutrino Oscillation Workshop.. Дата обращения: 2015-01-10.
  13. Yang, Li-Tao (21 July 2016). «Recent status of the China Jinping Underground Laboratory (CJPL)» in Identification of Dark Matter 2016..
  14. Normile, Dennis (5 June 2009), Chinese Scientists Hope to Make Deepest, Darkest Dreams Come True, Science Т. 324 (5932): 1246–1247, PMID 19498133, doi:10.1126/science.324_1246, <http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2009/today09-06-10.html>
  15. Feder, Toni (September 2010), China, others dig more and deeper underground labs, Physics Today Т. 63 (9): 25–27, DOI 10.1063/1.3490493
  16. (1 July 2009) «Status and Prospects of a Deep Underground Laboratory in China» in Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP 2009). 203. DOI:10.1088/1742-6596/203/1/012028.
  17. Yue, Qian (Feb 28, 2014). «The status and prospect of CJPL» in Dark Matter 2014.. Дата обращения: 2014-11-19. The figure on p. 13 shows the shape of the halls, although the dimensions have evolved.
  18. Wong, Henry (2011-09-06). «Construction and commissioning of the China Jinping underground laboratory and the CDEX-TEXONO experiment» in 12th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics.. Дата обращения: 2014-11-19.
  19. Cheng, Jian-Ping; Kang, Ke-Jun; Li, Jian-Min; et al. (October 2017). “The China Jinping Underground Laboratory and Its Early Science”. Annual Review of Nuclear and Particle Science. 67: 231—251. arXiv:1801.00587. Bibcode:2017ARNPS..67..231C. DOI:10.1146/annurev-nucl-102115-044842.
  20. Zeng, Zhi (23 October 2015). «Status of CJPL-II» in Final Symposium of the Sino-German GDT Cooperation.. Дата обращения: 2018-03-01.
  21. Ma, Hao (24 May 2017). «China Jinping Underground Laboratory (CJPL): Status and prospects» in Low Radioactivity Techniques 2017..
  22. Li, Jianmin (2015-06-05). «Introduction of Jinping underground laboratory II» in 2015 Workshop of Jinping Neutrino Program.. Дата обращения: 2015-08-15. A description of CJPL-II construction progress through the beginning of May 2015. Note that some pages in this presentation say the halls are 12×12 m; those appear to be figures copied from older presentations, and 14×14 is the new decision.
  23. (12 September 2013) «The Second-Phase Development of the China JinPing Underground Laboratory for Physics Rare Event Detectors and Multi-Disciplinary Sensors» in 13th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics.. Дата обращения: 2014-11-21.
  24. Wang, Zhe (5 November 2016). «China Jinping Underground Laboratory and Jinping neutrino experiment» in International Workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino Detectors (NNN16)..
  25. Lin, Shin-Ted (29 December 2016). «Status and Results from CDEX Collaboration at the Jinping Underground Laboratory» in 4th International Workshop on Dark Matter, Dark Energy and Matter-Antimatter Asymmetry..
  26. Liu, WeiPing (12 February 2016). «Progress of Jinping Underground laboratory for Nuclear Astrophysics (JUNA)». 109. DOI:10.1051/epjconf/201610909001.
  27. Beacom, John F. (21 June 2015). “Letter of Intent: Jinping Neutrino Experiment”. Chinese Physics C. 41 (2). arXiv:1602.01733. Bibcode:2017ChPhC..41b3002B. DOI:10.1088/1674-1137/41/2/023002.
  28. Šrámek, Ondřej; Roskovec, Bedřich; Wipperfurth, Scott A.; Xi, Yufei; McDonough, William F. (9 September 2016). “Revealing the Earth's mantle from the tallest mountains using the Jinping Neutrino Experiment” (PDF). Scientific Reports. 6: 33034. Bibcode:2016NatSR...633034S. DOI:10.1038/srep33034. PMC 5017162. PMID 27611737.
  29. Santos, D. (8 April 2013). “MIMAC: A micro-tpc matrix for dark matter directional detection”. Journal of Physics: Conference Series. 460. arXiv:1304.2255. DOI:10.1088/1742-6596/460/1/012007.

См. также

Внешние ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.