清华大学、雅砻江公司共建的世界最深地下实验室启动扩建

   

    2014年8月1日,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司在成都签署了共同建设中国锦屏地下实验室二期工程的合作协议,标志着这个国际上垂直岩石覆盖最深的、我国第一个极深地下实验室的扩建工作正式启动。

 中国锦屏地下实验室是2009年清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司(时为二滩水电开发有限责任公司,2012年更名)签约共同建设的我国首个极深地下实验室,201012月建成并投入使用,为目前世界上最深的地下实验室。

  实验室建成后,由清华大学主导,四川大学、中国原子能科学研究院、南开大学和雅砻江流域水电开发有限公司等单位共同参与的中国暗物质实验(China Dark matter ExperimentCDEX)合作组开始在实验室内开展暗物质研究。2013年,CDEX实验组在国际权威物理期刊《物理评论D》(Physical Review D)上发表首个研究成果,这是我国第一个自主开展暗物质实验研究的物理结果,该实验成果在低能区达到国际一流水平,确立了CDEX实验组在国际暗物质探测领域内第一阵营的地位。

           

 

重大基础前沿科研工作者的梦想舞台 

2009年,当清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署合作协议,决定共同建设中国锦屏地下实验室的时候,锦屏地下实验室主任、清华大学教授程建平并没有想到,这个实验室会在5年后迎来二期建设的启动。我们当时就是基于开展暗物质研究的需要,决定建设一个能够进行暗物质研究的地下实验室,至于更大规模、能够容纳更多领域重大基础前沿课题研究的实验室的建设,我们当时并没有想过。程建平坦言。因此,2010年建成并投入使用的锦屏地下实验室,仅有利用水电站工程已有的洞室扩建而成的约4000立方米的地下空间,目前这些空间已经基本用尽。 

 

           锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖达2400米,是国际上岩石覆盖最深的地下实验室。只有在这样的极深地下实验室里,高能量的宇宙线才能够被尽可能地屏蔽,为暗物质探测等重大基础性前沿课题研究提供尽量干净的辐射环境。而且经过测量发现,锦屏地下实验室周围的岩石纯度也非常高,其放射性核素含量很低,这是一个干净的地下实验室所必须具备的另一项重要指标。因此,锦屏地下实验室以其一流的综合条件吸引了国际科学界的高度关注,国际著名杂志《科学》(Science)、《今日物理》(Physics Today)都对实验室的建设运行进行了报道。

长期以来,由于我国没有很好的地下实验室,特别是极深地下实验室,许多相关领域的研究工作无法开展或只能与海外有条件的实验室联合开展,给国内的科研工作者开展重大基础前沿课题的自主研究带来很大限制。

地下实验室,尤其是极深地下实验室,是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域中的暗物质探测、双β衰变、中微子振荡、质子衰变等重大基础性前沿课题的重要研究场所,是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究所需的特殊环境,也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。过去几十年国际地下实验室的发展进程表明,地下实验室的建设和发展为国家提供综合性的重大基础科学研究平台,是一个国家关键性的重大基础科学研究设施,建设和发展极深地下实验室对国家科技发展具有重要意义和推动作用。

2003年,清华大学的研究团队在世界上率先提出了利用低能量阈值的高纯锗探测器测量低质量区间暗物质的研究计划,这一成果于2004年发表在《高能物理与核物理》杂志上。然而,由于缺少必要的实验研究基础,研究人员们只能一边与韩国、台湾的实验室合作进行研究,一边不断在国内寻找适合建设地下实验室的地方。

锦屏地下实验室的建成,为由清华大学主导的CDEX实验组的科研人员们提供了梦寐以求的舞台,他们开始在这里尽情地施展拳脚2011年,实验组基于原先提出的研究计划,自主模拟、设计、研制,并委托制造了全世界单体质量最大(接近1公斤)、阈值最低的点电极高纯锗探测器。2012年,实验组利用该探测器在锦屏地下实验室里获得了第一批宝贵的数据,并展开了数据分析。2013年,实验组的首个研究成果就发表在国际权威物理期刊《物理评论D》(Physical Review D)上,这是我国第一个自主开展暗物质实验研究的物理结果,更为可喜的是,该实验成果对低质量区暗物质粒子的探测灵敏度达到了国际一流水平,确立了CDEX实验组在国际暗物质探测领域内第一阵营的地位,这极大地提升了我国在暗物质这一重大基础前沿研究领域的研究水平和国际影响力。

在参与CDEX研究的清华大学工程物理系副教授岳骞看来,能够在较短的时间里取得重要的研究成果,锦屏地下实验室这个得天独厚的实验环境和团队自主研发的高纯锗探测器是两个关键因素,我们的实验室非常干净,所以我们的探测器受到的干扰就更少,我们也就能够探测到更加灵敏的实验结果。 

然而,要进一步提高暗物质探测的灵敏度,取得突破性的暗物质研究成果,必须建设吨量级的探测器。没有足够的实验室空间来容纳吨量级探测器系统的问题,就这样摆在了研究人员的面前。与此同时,国内外多个学科的许多研究团队都提出了在该实验室开展科学研究的意向。

作为实验室主任,程建平越来越感觉到,世界科学家的目光开始向锦屏聚集,他感慨说:在物理学乃至整个自然科学研究领域,对这种极端深地实验室的需求是非常旺盛的。这么好的一个地方,如果不扩大提供给全世界的科学家来用,实在太可惜了。参与CDEX研究的清华大学工程物理系教授李元景也有同样的感受,他说:过去我们去国外参加国际合作,都是以外国科学家为主导,我们协助干活。那时候我们就一直有个梦想,能够有自己的实验室,吸引国外的科学家到我们的实验室里来,参与由我们主导的基础科学研究。

于是,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司经过反复调研论证,决定利用锦屏水电站施工隧道,共同建设中国锦屏地下实验室二期工程。据悉,中国锦屏地下实验室二期工程将包括4组共8个实验室及其辅助设施,总容积将达到12万立方米,能够容纳更多的深地科学领域实验项目同时开展,建成后将有望逐步发展成为国家级的面向世界开放的基础研究平台。

 

校企合作开展基础科学研究的典范 

重大基础前沿科学研究的设施投入通常是巨大的,在我国,基础研究领域普遍存在着资金短缺的现象。以国家现阶段的国力和财力,不可能投入那么大的资金到基础研究领域。但是中国要成为科技强国,不能总是跟随在发达国家后面,必须有所为地参与到一些最前沿的科学研究中去。程建平强调说,在这种情况下,企业、社会等各方面如果能够对基础研究有所支持,将对我国基础研究的发展起到很大的推动作用。清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司的合作,就是企业支持高校开展重大基础前沿研究的典范。

与国外动辄耗资数十亿的地下实验室建设相比,锦屏地下实验室的建设充分利用了雅砻江公司承担的锦屏水电站的建设工程,节省了大量的资金、设备设施、人力、工程管理等投入。程建平说:在雅砻江公司的支持下,我们有条件利用少量的钱办成一件大事,这样的机会稍纵即逝,需要尽快抓住,所以我们决定与雅砻江公司签约,启动实验室的二期建设。

程建平所指的稍纵即逝的机会,就是锦屏水电站即将于明年12月结束施工的建设工程。按照水电站的建设进程,一旦施工结束,所有的工程基础设施、辅助设施、生活设施都要拆除,恢复原有的环境,施工设备和人员也将撤离。如果不抓住与水电站工程建设同步建设的机会,一旦工程结束,再想开展地下实验室的扩建,其投入将会大幅增加。

在地下实验室二期建设的调研论证过程中,做,还是不做?一度成为实验室管理团队成员反复思索的一个问题。不做,大家都觉得错过这样的机会太可惜;做,就不能只做简单的小规模的扩展,要经过认真调研规划,把锦屏地下实验室建设成为具有一定规模、能够容纳多学科领域基础前沿研究的国际一流实验室。这样一来,所需投入的资金就成为一个难题。由于水电站施工工期紧迫,从任何渠道申请国家项目的资金支持,其审核周期都不能在有限的时间内完成,无法保证地下实验室二期建设跟上水电站的施工进度。经过反复的思考、调研和讨论,中国锦屏地下实验室管理委员会终于在去年下定决心,承担起二期建设的工作。回想起当时的决定,程建平指出:作为一家企业,雅砻江公司与清华大学共同建设地下实验室,给予清华大学的基础科学研究很大的帮助。在这样一个紧迫的时间节点上,清华也应当承担起这个重要的责任,我们自筹经费,决心把锦屏地下实验室的二期建设工作做好! 

     如今,中国锦屏地下实验室二期建设正式启动,预计将于2015年底完成土建工作。

 

建设世界领先的基础科研平台

如果说曾经,拥有一个自己的极深地下实验室是许多国内相关科研工作者的梦想;那么如今,利用锦屏地下实验室这个条件一流的极端实验平台开展研究工作,则是国内外许多科学家的愿望。

除了暗物质研究,双β衰变、中微子振荡,乃至岩体力学、生态学等很多研究领域都对极深地下实验室有需求。锦屏地下实验室的建成以及CDEX研究取得的成果,变成了一种牵引,越来越多的科学家在思考如何利用这样一个极端实验条件,开展新的前沿研究。

而在这些前沿基础研究的过程中,许多的科学技术问题也在需求驱动下被发现和解决。在CDEX研究团队里,就有先进辐射探测、辐射防护、材料学、低温技术、电子学等多个学科领域的专家,其中非常重要的一个领域就是高纯锗探测器的自主研制。长期以来,高纯锗探测器都由国外垄断,而我们要想自主地开展吨量级暗物质研究并取得重大突破,必须自己掌握这一重要的探测技术,同时还可以大幅度降低成本,推动我国先进半导体探测器的研制。

正是在这种需求的驱动下,参与CDEX研究的清华工物系教授李玉兰承担了高纯锗探测器的自主研制工作,目前已经取得了很好的进展,不仅能够促进暗物质等基础前沿科学研究,而且可以提升我国高端产业的竞争力。

什么样的科研项目能够进入锦屏地下实验室?在程建平看来,首先必须是最重大、最前沿的研究课题,这是最为严格的判断标准;其次,研究项目所要求的实验空间也不能超出锦屏地下实验室的容纳限制。在此基础上,将由锦屏地下实验室的学术委员会负责评定,该学术委员会将由国内外的知名科学家组成。

在优先满足国内科学家的研究需求基础上,中国锦屏地下实验室也将面向世界开放,希望不断吸引国外的优秀科学家前来参与科研合作。这样一来,采用什么样的机制体制运行和管理实验室,成为实验室管委会需要探索和解决的问题。

以前的国际合作多是我们到外国去,参与国外的科研项目。现在国外的科学家要到我们这里来,参与我们的研究工作,这就会使我们遇到一些新的问题。程建平说,这不仅需要我们提供良好的实验室硬件条件,也需要我们建立好的实验室运行管理机制,使来自世界各地的科学家都能在这里充分自主地开展科学研究。在程建平看来,这些软性机制体制的建设工作,同实验室的硬件建设一样,是我国走向科技强国需要探索和解决的问题。中国锦屏地下实验室的二期建设和今后的发展,必将使其成为世界领先的基础科研平台。